Slide 1 - ELT2014

Universidade Federal de Itajubá
Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação
Engenharia da Computação
ELT303 – Eletrônica Analógica I
Materiais Semicondutores e Junção PN
Prof. Paulo C. Crepaldi
Prof. Leonardo B. Zoccal
Universidade Federal de Itajubá
Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação
Engenharia da Computação
Atenção
O material constante destas notas de aula foi preparado com base na
bibliografia recomendada e destina-se a servir como um apoio ao
acompanhamento da disciplina.
Em alguns slides são utilizados recursos coletados da INTERNET e
considerados de domínio público.
Resistividade: Conceito
Considere uma amostra de um material
submetida a uma diferença de potencial
(V) como ilustrado ao lado.
Pela lei de Ohm, a corrente (I) mantém
uma relação com V através de uma
grandeza que é a Resistência Elétrica (R):
I
V
R
A Resistência Elétrica depende da
geometria (L e A) da amostra e de uma
característica intrínseca do material que é
a Resistividade (r):
Rρ
L
I
A
+
_
V
L
A
OBS: Entende-se por corrente elétrica a deriva de
portadores de carga em função da presença de um campo
elétrico (Adendo 1).
George Simon Ohm (1789 – 1854)
3
Resistividade: Conceito
Dependendo do valor da resistividade, podemos classificar os materiais em
condutores (opõem baixa resistência ao fluxo de corrente), isolantes (opõem alta
resistência ao fluxo de corrente) e semicondutores (apresentam valores de
resistência entre os limites dos condutores e isolantes).
Elemento
Condutores
Semicondutores
Isolantes
Prata
Cobre
Ouro
Alumínio
Germânio (puro)
Silício (puro)
Vidro
Âmbar
Mica
Quartzo (fundido)
Resistividade
(Ohm.cm)
1,6.10-6
1,7.10-6
2,3.10-6
2,8.10-6
47
21,4.104
1012 a 1013
5.1016
9.1016
75.1018
Tabela Comparativa entre níveis de Resistividade
(Observar as várias ordens de grandeza que separam os limites inferior e superior da Resistividade)
4
Resistividade: Tabela Comparativa e Elementos Semicondutores
(simples e compostos)
Tabela Comparativa entre níveis de Resistividade e Condutividade
e
Elementos Semicondutores (Simples ou Compostos)
5
Materiais Semicondutores: Silício
Principais motivos para o uso de materiais semicondutores na indústria eletrônica:
 Obtenção de altos graus de pureza (Adendo 2);
 Disponibilidade (20% a 30% da crosta terrestre - silicatos);
 Modificação de suas características elétricas em função da Dopagem, da
Temperatura e da Luz (possibilidade de fabricação de dispositivos
especializados, por exemplo, sensores).
As análises a seguir serão baseadas no material
semicondutor Silício. Contudo, todos os conceitos
apresentados podem ser, qualitativamente, estendidos para
outros materiais semicondutores (simples ou compostos).
Cilindro de Silício processado e pronto
para ser “cortado” para a obtenção dos
“Wafers”
Silício em estado bruto
6
Silício: Estrutura Atômica (Átomo de Bohr)
Para compreender as características elétricas do semicondutor
Silício (Si) é necessário uma investigação em nível
atômico. Para tanto, reproduz-se aqui o Modelo de Bohr
para um átomo de Si. Observar que apesar de ser uma
estrutura tridimensional, ele está representado de uma
forma planar.
Niels Henrik David Bohr (1885-1962)
Dois componentes principais:
 Um núcleo, em que estão presentes 14 Prótons
(carga positiva) e 14 Nêutrons (carga nula);
 Uma eletrosfera, em que estão presentes 14
Elétrons (carga negativa).
Existe um equilíbrio eletrostático uma vez que as
cargas positivas e negativas estão em igualdade.
7
Silício: Estrutura Atômica (Átomo de Bohr)
A distribuição dos elétrons obedece a solução da
equação de Schrödinger que quantifica a energia total
(potencial + cinética) destes portadores.
Esta solução indica que existem órbitas específicas
estabelecendo níveis discretos de energia. Entre as
órbitas existe um Gap de energia que representa estados
proibidos.
Erwin Schrödinger. (1887 - 1961)
Quanto mais afastada a órbita, maior o estado de
energia.
Existe uma tendência na natureza para que os sistemas fiquem nos seus estados
mínimos de energia. Então, estão preenchidas as 3 primeiras órbitas o que não
significa que existam outras órbitas mais externas que também representam soluções
para o equacionamento de Schrödinger.
A última órbita é chamada de órbita de valência e possui 4 elétrons. Assim, o Si é
dito ser tetravalente.
A órbita de valência, através de seus elétrons, é responsável pelas propriedades
químicas e elétricas do material.
8
Silício: Átomo de Bohr (Níveis de Energia)
Existe a possibilidade de se alterar o posicionamento de um elétron mudando-o de
uma órbita para outra. Para ascender a uma órbita superior é necessário receber
energia externa que seja pelo menos igual à energia do Gap.
Ao retornar à orbita inferior (lembre-se que os sistemas tendem a estar nos estados
de energia mínima) deve liberar a diferença de energia relativa ao Gap.
E [eV]
DE ≥ gap
DE = gap
4a órbita
3a órbita - Valência
2a órbita
Gap
1a órbita
Por estarem mais fracamente
presos ao núcleo (atração
eletrostática), os elétrons da
órbita de valência são os que
mais têm a maior
probabilidade de, ao receber
energia, passarem para órbitas
mais externas.
Núcleo
A energia externa entregue ao átomo pode estar na forma de luz, calor, ou ainda,
resultante do choque de outra partícula com o elétron. A energia liberada pode
estar na forma de calor ou de luz.
9
Silício: Ligações Covalentes e Estrutura Cristalina
A mecânica quântica mostra que para um material adquirir estabilidade química é
necessário que a órbita de valência possua 8 elétrons. Como o átomo de Si é
tetravalente, ele se une a outros 4 átomos para estabelecer um compartilhamento da
órbita de valência e, desta forma, cada átomo possuir, dinamicamente, os 8 elétrons
necessários para a estabilidade. Este tipo de ligação é chamada de ligação covalente.
Novamente, a representação está sendo
feita de uma forma planar. Na realidade,
ao formar as ligações covalentes, o
silício apresenta uma estrutura
tridimensional harmônica (estrutura
cristalina) que se repete no espaço.
Ligações Covalentes no Silício
Cristal de Silício
10
Silício: Estrutura Cristalina (Semicondutor Intrínseco)
O silício em sua forma cristalina, para ser utilizado na industria de semicondutores,
passa por um processo de purificação em alto grau (99,9999%). Isto significa algo
em torno de 1 átomo de impureza para cada 10 bilhões de átomos de silício.
Neste caso, o cristal de silício é dito ser intrínseco, ou seja, as suas propriedades
elétricas são função apenas dos átomos de silício e não dos átomos de impurezas.
Deve-se observar, ainda, que o cristal de silício permanece eletricamente neutro
pois o número de prótons continua sendo contrabalançado, em igualdade, pelo
número de elétrons.
Silício: Modelo de Cargas Envolventes
Dependendo da posição do átomo de Si na estrutura cristalina, ele pode apresentar
uma pequena diferença nos níveis de energia que representam as suas órbitas. 1cm3
de uma amostra de Si intrínseco possui, aproximadamente, 5.1022 átomos, ou seja, ao
representar as órbitas, vai aparecer uma grande quantidade delas muito próximas
umas das outras. Este conjunto de órbitas passa a ser chamado de Banda de Energia
e, particularmente para a última órbita, teremos uma Banda de Valência (BV).
11
Cristal de Silício: Bandas de Energia e Geração Térmica de Pares
Elétron-Lacuna
O cristal de silício apresenta uma Na temperatura ambiente (TAMB= 270C = 300K), a
Gap de 1,1[eV] entre a Banda de
energia térmica cedida ao cristal permite
Valência e a Banda de Energia
“quebrar” algumas ligações covalentes
relativa às próximas órbitas
(1,5.1010/cm3). Assim, elétrons passam da BV
(Adendo 3)
para a próxima de Banda de Energia deixando em
seu lugar uma ligação covalente incompleta. A
ausência deste elétron é denominada de lacuna.
O processo recebe o nome de: Geração de Pares
Elétron-Lacuna.
Como existe a tendência do material estar no seu
estado de energia mínimo, elétrons retornam para
a BV liberando energia. Este processo é chamado
Recombinação e restabelece a ligação covalente
quebrada.
Em uma situação de Equilíbrio Térmico:
Taxa de Geração = Taxa de Recombinação
12
Cristal de Silício: Corrente de Elétrons e de Lacunas
Se aplicarmos uma diferença de potencial (ddp)a um cristal de silício (TAMB) vamos
observar a presença de uma corrente elétrica. Contudo, diferentemente de um
material metálico, esta corrente é composta por dois tipos de portadores: os elétrons e
as lacunas.
Na Banda de Energia acima da BV existem muitos níveis de energia disponíveis e
uma quantidade reduzida de elétrons. Pela presença da ddp, estes elétrons, com
pequenos ajustes de energia, podem caminhar de um átomo para outro estabelecendo
um fluxo ordenado de portadores de carga. Os elétrons presentes nesta Banda de
Energia, pela sua liberdade de locomoção, são chamados de elétrons livres e por
permitir a condução de uma corrente elétrica a banda passa a se chamar de Banda de
Condução (BC).
A figura ao lado ilustra a presença desta
corrente de elétrons (IN) e a sua
representação em termos de circuito
elétrico será a convencional (fluxo
contrário ao fluxo dos elétrons uma vez
que são modelados como portadores de
carga negativa).
13
Cristal de Silício: Corrente de Elétrons e de Lacunas
As lacunas também contribuem para
o transporte de corrente no Si. Se
consideramos que os elétrons na BV
estão em constante movimento, eles
podem (também com pequenos
ajustes de energia e sob ação da ddp)
ir passando de lacuna em lacuna
fazendo parecer que ela está se
deslocando em sentido contrário.
As lacunas são modeladas, então,
como portadores de carga positivos
e constituem uma corrente elétrica
(IP) na BV.
A figura ao lado ilustra a presença desta
corrente de lacunas (IP) e a sua
representação convencional.
14
Semicondutores: Observações Importantes
 A corrente total, no cristal semicondutor, é a soma das correntes de elétrons e de
lacunas (IT = IN + IP);
 Por apresentar a condução de corrente através de dois tipos de portadores, o
material semicondutor recebe a denominação bipolar;
 Na temperatura de zero absoluto (-273,150C) o semicondutor comporta-se como
um isolante uma vez que não existe a geração térmica de pares elétron-lacuna;
 O coeficiente térmico da resistividade do semicondutor é negativo, ou seja, um
aumento na temperatura representa uma diminuição na resistividade (Si = -0,075
[0C-1] e Ge -0,048 [0C-1]) ;
 Por estarem na BC, onde existe uma grande disponibilidade de estados de energia,
os elétrons apresentam uma maior Mobilidade (m) em relação às lacunas que estão
na BV (mN ≤ 1400 [cm2/V.s] e mP ≤ 450 [cm2/V.s]). Em termos práticos,
considerar a mobilidade dos elétrons de 2 a 3 vezes maior.
15
Semicondutores: Cristais Extrínsecos
Para aumentar a capacidade de corrente dos semicondutores intrínsecos e, com isto,
poder produzir dispositivos eletrônicos dentro de uma realidade prática de uso,
estes cristais passam por um processo chamado de Dopagem. Um cristal dopado
é, então, dito ser Extrínseco.
Através deste processo, de forma muito bem controlada, é possível alterar a
disponibilidade tanto de elétrons na BC quanto de lacunas na BV.
A idéia fundamental é inserir impurezas no cristal intrínseco de modo a provocar
a substituição de alguns átomos de sua estrutura.
Dependendo da valência (quantidade de elétrons na órbita de valência) desta
impureza obtém-se dois tipos de cristais:
 Um, denominado de Cristal N, em que houve uma aumento dos portadores
elétrons;
 Outro, denominado Cristal P, em que houve um aumento dos portadores lacunas.
Os níveis de dopagem situam-se, tipicamente, na faixa de uma parte para 10
milhões (compare com o grau de pureza de uma parte para cada 10 bilhões).
Entretanto, cristais fortemente dopados podem degenerar e migrar o seu
comportamento de semicondutor para condutor.
16
Semicondutores: Cristal N
Para aumentar o número de elétrons na BC, a dopagem é feita com átomos
pentavalentes (5 elétrons na órbita de valência). Assim, 4 elétrons do dopante são
usados para formar as ligações covalentes com os átomos de Si e o quinto elétron
fica muito fracamente preso ao átomo original. Em outras palavras, a energia térmica
do meio ambiente é mais do que suficiente para levá-lo à BC. Diz-se que os dopantes
estabelecem um Nível de Energia dos Doadores pois cada um deles “doa” um
elétron para a BC.
Cristais N com níveis de dopagem mais leves são simbolizados por N- e com níveis
de dopagem mais elevados por N+
Observar que a geração térmica de pares
elétrons continua a existir, contudo, a
maioria dos elétrons na BC são advindos
do processo de dopagem. Por esta razão
são chamados de Portadores
Majoritários. As lacunas, por sua vez,
constituem os Portadores Minoritários.
17
Semicondutores: Cristal P
Para aumentar o número de lacunas na BC, a dopagem é feita com átomos
trivalentes (3 elétrons na órbita de valência). Assim, 3 elétrons do dopante são
usados para formar as ligações covalentes com os átomos de Si e fica faltando um
elétron, ou seja, inseriu-se uma lacuna. Diz-se que os dopantes estabelecem um
Nível de Energia dos Aceitadores pois cada um deles “aceita” um elétron para a
este nível deixando uma lacuna na BV. Este nível está muito próximo da BV de
modo que a temperatura ambiente, todos dopantes contribuem com uma lacuna.
Cristais P com níveis de dopagem mais leves são simbolizados por P- e com níveis
de dopagem mais elevados por P+
Observar que a geração térmica de pares
elétrons continua a existir, contudo, a
maioria dos lacunas na BV são advindas
do processo de dopagem. Por esta razão
são chamados de Portadores
Majoritários. Os elétrons, por sua vez,
constituem os Portadores Minoritários.
18
Cristais N e P: Observações Complementares
 Considerando-se o nível atômico, cada átomo dopante é um Íon. Positivo no caso
do dopante pentavalente (perdeu um elétron) e negativo no caso do dopante
trivalente (perdeu uma lacuna);
 Macroscopicamente, entretanto, os cristais N e P permanecem eletricamente
neutros ;
 Os dopantes pentavalentes mais comuns são: Fósforo (P), Arsênio (AS) e
Antimônio (Sb) ;
 Os dopantes trivalentes mais comuns são: Boro (B), Gálio (Ga) e Índio (In).
Íon Positivo
Íon Negativo
Exemplos de Cristais N e P (Bohr)
19
Junção PN: Gradiente de Concentração
Representa uma das estruturas mais importantes na fabricação de diversos
componentes eletrônicos.
É formada pela união de um cristal do tipo N com um cristal do tipo P. Algumas
literaturas referem-se a esta junção como junção metalúrgica.
Difusão de Elétrons
Difusão de Lacunas
Como o cristal P tem lacunas em maioria
(portadores majoritários) e o cristal N tem
elétrons em maioria (portadores majoritários),
ao se juntar os dois existe, na região da
junção, um Gradiente de Concentração.
Este Gradiente força a difusão de portadores
majoritários do lado em que está mais
concentrado para o lado em que está menos
concentrado, ou seja, lacunas vão se difundir
do lado P para N e elétrons do lado N para P.
Junção PN
O processo de difusão se inicia com os
portadores que estão mais próximos da
junção.
20
Junção PN: Difusão de Portadores e Formação da Região de Depleção
Ao atravessarem a junção, os portadores majoritários deixam atrás de si os seus
átomos originais “descobertos”, ou seja, deixam atrás de si íons. Positivos no cristal
N (átomos pentavalentes que perdem elétrons) e negativos no cristal P (átomos
trivalentes que perdem uma lacuna).
E [V/m]
Cristal P
-
+
-
+
-
+
-
+
Cristal N
W
Junção PN: Formação da região de Depleção
Os portadores majoritários ao cruzarem a
junção estão em um cristal em que são
minoria. Portanto, existe uma grande
probabilidade de recombinação. Em outras
palavras: o portador majoritário que cruza a
junção “não consegue ir muito longe” pois
logo encontra um portador de sinal oposto
para recombinar.
Vai se formando no entorno da junção uma
região de cargas espaciais, fixas na estrutura,
que se denomina de Região de Depleção ou
Região de Exaustão (Adendo 4)
Observar que esta região caracteriza pela
presença de dipolos elétricos que têm
associado a eles um Campo Elétrico.
21
Junção PN: Barreira de Potencial
O campo elétrico criado pelos dipolos está em um sentido que contraria a difusão de
portadores majoritários através da junção. Ele pode atingir um valor, grande o
suficiente, para impedir que o processo de difusão continue.
E [V/m]
Cristal P
Lacunas
-
+
-
+
-
+
-
+
-
Elétrons
Cristal N
+
VT
Barreira de potencial
O cristal N perdeu elétrons para o cristal P e
ele está ligeiramente positivo em relação ao P.
O cristal P perdeu lacunas para o cristal N e
está ligeiramente negativo em relação ao N.
Esta situação pode ser modelada pela
presença de uma “bateria” (interna, presente
na região da junção) e atua como uma barreira
para que o processo de difusão continue. Esta
bateria é a chamada Barreira de Potencial
(VT ou Vg).
Outro ponto a se comentar diz respeito a
largura da região de depleção (W). Na prática
este valor é da ordem de micrometros e
varia em função dos níveis de dopagem dos
cristais. Quanto maior a dopagem, menor a
penetração da região no respectivo cristal.
22
Junção PN: Análise com a Presença dos Portadores Minoritários
Os portadores minoritários (elétrons em P e lacunas em N), ao contrário dos
majoritários, são acelerados pelo campo elétrico e caminham em direção à junção.
Este processo de movimentação pela presença de um campo elétrico é chamado de
Deriva dos portadores.
Ao irem em direção à junção podem neutralizar os íons presentes na região de
depleção; em N um íon positivo que ganha um elétron e em P um íon negativo que
ganha uma lacuna.
O valor do campo elétrico diminui e o processo de difusão pode recomeçar
restabelecendo os íons. Resumindo: Tem-se um processo dinâmico em que se
alcança um equilíbrio entre o fluxo de portadores majoritários por difusão e o
fluxo de portadores minoritários por deriva.
Se for associado a este fluxo de portadores uma corrente elétrica pode-se dizer que:
IDERIVA = IDIFUSÃO
23
Junção PN: Observações Importantes
 Toda análise aqui desenvolvida pressupõe que a junção PN esteja em equilíbrio
térmico e não esteja sob ação de nenhum tipo de campo eletromagnético;
 O valor de VT depende dos níveis de dopagem dos cristais, do tipo de material
semicondutor e da temperatura;
 Para o Si, VT vale aproximadamente 700mV@TAMB e tem um coeficiente
térmico de -2mV/0C. Para o Ge, VT vale aproximadamente 300mV@TAMB;
 Não é possível medir a tensão VT com um multímetro (escala voltimétrica)!!
Algumas literaturas fazem menção a esta tensão como sendo Vbi (built-in
voltage), uma tensão embutida. Para se avaliar o seu valor é necessário tirar a
junção PN da condição de equilíbrio;
 Macroscopicamente, a junção PN, em equilíbrio, permanece eletricamente
neutra;
 A região de depleção pode ser modelada como um isolante uma vez que não
possui portadores de carga (qualquer portador nesta região será acelerado “para
fora” pela presença do campo elétrico). As regiões restantes dos cristais N e P são,
normalmente, referenciadas como regiões neutras e continuam a ser consideradas
semicondutoras.
24
Adendo 1: Corrente de Deriva
Alguns dispositivos eletrônicos, por exemplo os transistores de efeito de campo,
caracterizam-se por apresentar a predominância da corrente de deriva em seu
funcionamento. A corrente de deriva está relacionada com a presença de um
campo elétrico. Observar a figura na seqüência.
Os portadores de carga (no caso está
representado um lacuna) apresentam um
movimento aleatório devido a presença da
energia térmica do meio ambiente.
O deslocamento resultante é zero por se tratar,
justamente, de um fenômeno aleatório.
Corrente de Deriva:
Presença de um Campo Elétrico
Contudo, com a presença de um campo elétrico
existe a superposição dos efeitos aleatórios e
dos efeitos causados pelo campo.
Desta forma, existe um deslocamento resultante
diferente de zero.
retornar
25
Adendo 2: Fabricação de Circuitos Integrados
DIE
retornar
Algumas fotos que exemplificam partes do processo de fabricação de
um CI (Circuito Integrado).
Observar a necessidade de se trabalhar com roupas especiais para
evitar a contaminação de impurezas.
As salas recebem a denominação de salas limpas.
Uma sala limpa classe 1 (usada para a fabricação de dispositivos com
geometria sub-micron) representa, no máximo, uma partícula (maior
que 0,5mm) por pé cúbico (ft3) (≈ 0,03m3) de ar.
26
Adendo 3: Comparação entre Bandas de Energia
retornar
Como informação complementar, verificar na figura a seguir, a diferença entre
bandas de energia para metais, materiais semicondutores e isolantes. Observar a
facilidade (ou dificuldade) que os portadores de carga têm, em cada tipo de
material, para transitar entre as bandas de valência (VB – Valence Band)) e
condução (CB – Conduction Band).
Bandas de Energia para Metais, Semicondutores e Isolantes
Nos metais existe uma superposição das bandas, indicando que o seu comportamento se
mantém mesmo a baixas temperaturas. Já o isolante, para haver condução, é necessário
rompê-lo, ou seja, o material deverá ser exposto a uma grande quantidade de energia.
27
Adendo 4: Junção PN (outra abordagem)
E X  
retornar
 xN
 Q
dx
X
 xP
V X  
 xN
 E
dx
X
 xP
O valor máximo do campo
elétrico ocorre na junção
metalúrgica entre os dois
cristais.
-xP
+xN
As regiões em que o campo
elétrico é zero são denominadas
de “Neutras”.
Observar que existe uma
diferença de potencial associada
à região de depleção ( nesta
região o cristal N é mais
positivo que o cristal P).
28
Adendo 5: Propriedades do Silício
Silício Policristalino
Linhas Espectrais
O silício (latim: silex, sílex ou "pedra dura") é um elemento químico de símbolo Si de
número atômico 14 (14 prótons e 14 elétrons) com massa atómica igual a 28u. À
temperatura ambiente, o silício encontra-se no estado sólido. Foi descoberto por Jöns
Jacob Berzelius, em 1823. O silício é o segundo elemento mais abundante na crosta
terrestre, perfazendo mais de 28% de sua massa. Aparece na argila, feldspato, granito,
quartzo e areia, normalmente na forma de dióxido de silício (também conhecido como
sílica) e silicatos (compostos contendo silício, oxigênio e metais). O silício é o principal
componente do vidro, cimento, cerâmica, da maioria dos componentes semicondutores e
dos silicones, que são substâncias plásticas muitas vezes confundidas com o silício.
Pertence ao grupo 14 (IVA) da Classificação Periódica dos Elementos. Se apresenta na
forma amorfa e cristalina; o primeiro na forma de um pó pardo mais reativo que a
variante cristalina, que se apresenta na forma octaédrica de coloração azul grisáceo e
brilho metálico.
Distribuição Eletrônica
29
Adendo 6: Um pouco de história
Diodo a válvula de Fleming (1904)
Estes dispositivos também são referenciados
como Tubo à Vácuo ou Válvula Termiônica
John Ambrose Fleming (1849-1945)
30