Semicondutores de Silício Equipe: Adriano Ruseler Diego Bolsan Semicondutores • SEMICONDUTORES - Materiais que apresentam uma resistividade Intermediária, isto é, uma resistividade maior que a dos condutores e menor que a dos isolantes. Como exemplo, podemos citar o Carbono, o Silício, o Germânio, etc. Silício e germânio: monocristais – estrutura diamante (ligações covalentes) Semicondutores • Em estado puro apresenta uma condutividade elétrica bastante limitada; • Ao incorporar pequenas quantidades de impurezas, suas propriedades elétricas alteram-se significativamente; • O material pode passar, por exemplo, a conduzir eletricidade em um único sentido, de forma que age um diodo; • A adição de uma outra impureza lhe confere a propriedade de conduzir eletricidade apenas no outro sentido. http://www.geocities.com/HotSprings/Spa/5011/semi.htm Estrutura cristalina do Silício O silício comercial é obtido a partir da sílica de alta pureza em fornos de arco elétrico reduzindo o óxido com eletrodos de carbono numa temperatura superior a 1900 ºC: • SiO2 + C → Si + CO2 Obtenção do Silício • O silício produzido por este processo é denominado metalúrgico apresentando um grau de pureza superior a 99%. • Para a construção de dispositivos semicondutores é necessário um silício de maior pureza, silício ultrapuro, que pode ser obtido por métodos físicos e químicos. Silício - Níveis ou bandas de energia Silício e germânio: 4 elétrons de valência – modelo atômico de Bohr: Configuração eletrônica : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 Semicondutores e Impurezas • Representação simplificada dos átomos de Germânio (Ge); Silício (Si); Índio (In) e Arsênio (As) Estrutura planar do Silício à -273º C Nessa temperatura, todas as ligações covalentes estão completas os átomos têm oito eletrons de valência o que faz com que o átomo tenha estabilidade química e molecular, logo não há eletrons livres e, consequentemente o material comporta-se como um isolante. Estrutura planar do Silício à 20o À temperatura ambiente (20ºC) já se torna um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos eletrons de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns eletrons livres no semicondutor. Movimento das Lacunas • No interior do cristal semicondutor, as lacunas movimentam-se em sentido contrário ao dos elétrons. SEMICONDUTORES • SEMICONDUTOR INTRÍNSECO As características elétricas do cristal são devidas ao próprio material semicondutor, e não às suas impurezas. • SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO As características elétricas do cristal se devem às impurezas a ele adicionadas, e não aos características do próprio material DOPAGEM • IMPUREZAS DOADORAS • IMPUREZAS RECEPTORAS IMPUREZAS DOADORAS • Os elementos doadores que através do processo da dopagem fornecerem excedentes ao Silício ou Germânio, serão denominados de Doadores. • Ao material cujo processo de dopagem deu origem à formação de elétrons excedentes, denomina-se material tipo N. IMPUREZAS DOADORAS • Cristal semicondutor puro, onde átomo de Silício foi substituído por um átomo de Arsênio. Formação dos elementos Tipo N • Si elemento tetravalente, se adicionarmos uma pequena quantidade de um elemento pentavalente; IMPUREZAS RECEPTORAS • Os elementos que através do processo da dopagem derem origem à formação de lacunas, serão denominados de Receptores. • Ao material cujo processo de dopagem, deu origem à formação de lacunas, denomina-se material tipo P. IMPUREZAS RECEPTORAS • Vejamos agora o caso em que o átomo de Silício é substituído por um átomo de índio (In) Formação dos Elementos Tipo P • Se ao Si que é um material tetravalente introduzirmos uma pequena quantidade de material trivalente, teremos: Em geral teremos: • Todo cristal de Germânio ou Silício, dopado com impurezas doadoras, é chamado de CRISTAL SEMICONDUTOR TIPO N (N de negativo, referindo-se à carga do elétron). • Todo cristal puro dopado com impurezas receptoras é chamado de CRISTAL SEMICONDUTOR TIPO P (P de positivo, referindo-se a carga do próton). • Tanto no cristal tipo N como no tipo P, em cada átomo o número de prótons é igual ao número de elétrons. Sendo assim, o cristal impuro (tipo P ou N) é eletricamente neutro MOVIMENTO DOS ELÉTRONS E DAS LACUNAS NOS SEMICONDUTORES DOPADOS • Num cristal tipo N, o fluxo de eletrons será muito mais intenso que o fluxo de lacunas , porque o número de eletrons livres (portadores majoritários) é muito maior que o número de lacunas livres (portadores minoritários). MOVIMENTO DOS ELÉTRONS E DAS LACUNAS NOS SEMICONDUTORES DOPADOS • Entretanto, num cristal tipo P, onde o número de lacunas (portadores majoritários) á maior que o número de electrões livres (portadores minoritários), o fluxo de lacunas será muito mais intenso que o de electrões livres . Junção PN (diodo de junção) • Se um semicondutor tipo P é colocado junto a um do tipo N, na região de contato, chamada junção, haverá a formação de uma barreira de potencial. • Na junção, os elétrons portadores da parte N tendem a ocupar lacunas na parte P, deixando esta com um potencial negativo e a parte N com um potencial positivo e, assim, formando uma barreira potencial Vo. Assim, a polaridade da barreira de potencial mantém os elétrons na parte N e os buracos na parte P . Junção PN (diodo de junção) • Se um potencial externo V > Vo for aplicado conforme abaixo, o potencial de barreira será quebrado e a corrente elevada pois existem muitos elétrons em N. Diz-se então que a junção está diretamente polarizada. Junção PN (diodo de junção) • No caso de inversamente polarizada, o potencial de barreira será aumentado, impedindo ainda mais a passagem de elétrons e a corrente será pequena. Diodo de Junção • A polarização inversa tem limite. Acima de um determinado valor ocorre um efeito de ruptura, quebrando a barreira de potencial e a corrente sobe quase na vertical. Isso é usado em diodos reguladores de tensão (diodos zener) por exemplo. Junção NPN e Junção PNP • • • • Bipolar – dois tipos de cargas, electrões e buracos, envolvidos nos fluxos de corrente Junção – duas junções pn. Junção base/emissor e junção base/colector Tipos – tipos NPN e PNP. Terminais – Base, Emissor e Colector Chip de silício-germânio opera a 500 GHz • A tecnologia SiGe consiste na adição de quantidades-traço do elemento germânio ao silício, o material de que são feitos todos os chips. Esse acréscimo melhora consideravelmente o rendimento do silício, fazendo os chips funcionarem mais rapidamente e consumirem menos energia. http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010110060621 SITES: • • • • • http://www.radioamadores.net/semicond.htm http://www.chmullerf.hpg.ig.com.br/estmat.htm http://www.tabelaperiodica.hpg.ig.com.br/si.htm http://pt.wikipedia.org/wiki/Sil%C3%ADcio http://ecewww.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_3.htm#fig2_ 3_3 • http://www.mspc.eng.br/eletrn/semic1A.asp • http://ltodi.est.ips.pt/lveriss/Elect_I/Acetatos/Acet_BJT.PDF