Semicondutores - Portal Saber Livre

Semicondutores
Semicondutores – são materiais cuja condutividade elétrica se situa entre os
metais e os isolantes
Semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro.
 À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC), banda de valência
totalmente preenchida e a banda de condução vazia (gap da ordem de 1
eV) comporta-se como um isolante,
Alguns elétrons podem ser excitados termicamente para a banda de
condução, deixando estados vacantes na banda de valência, que se
comportam como partículas positivas.
 Cada excitação térmica promove um elétron para a banda de condução –
formam-se dois portadores de carga: elétrons e lacunas (vazios)
ACIMA DO ZERO ABSOLUTO
•A energia térmica quebra algumas ligações
covalentes, isto é, envia alguns elétrons da
banda de valência para a banda de condução.
• Sob ação do campo elétrico, estes elétrons
livres movem-se
• Cada vez que um elétron é bombeado para a
banda de condução, cria-se uma lacuna na
banda de valência.
• Quanto mais alta a temperatura, maior o
número de elétrons de valência empurrados
para a banda de condução e maior a corrente.
• À temperatura ambiente (25ºC) a corrente é
pequena demais para ser utilizável.
•À essa temperatura um pedaço de silício não é
bom isolante nem bom condutor, por esta razão
é chamado semicondutor.
Semicondutores extrínsecos
 Comportamento elétrico é determinado pelas impurezas
 Impurezas formam soluções sólidas substitucionais muito diluídas nas
quais os átomos de impurezas dissolvidos têm características de valência
diferentes dos átomos da rede cristalina
Semicondutores intrínsecos tipo n
Solução sólida com átomos com valência maior.
Ex: Silício dopado com arsênio
 haverá 1 elétron em excesso (fracamente ligado ao núcleo positivamente
carregado do arsênio)
Electrão livre
do Arsénio
Impureza desse tipo – doador (doa um elétron para a banda de condução)
Semicondutor tipo p
Solução sólida com átomos com valência menor.
Ex: Silício dopado com Boro
Uma das ligações covalentes ao redor de cada um dos átomos de boro
fica deficiente em um elétron
Impureza desse tipo - receptor, pois ela é capaz de aceitar um elétron da banda
de valência, deixando para trás um buraco
Cerâmicas semicondutoras
- Varistores
- termistores
- elementos de aquecimento
Elementos de aquecimento
Ex: SiC, MoSi2, grafita
Ex. SiC – semicondutor extrínseco - tipo n (dopado com N) e tipo p (dopado com Al)
Há eficiente condutividade para dar passagem a corrente, entretanto, sua resistência é
apreciavelmente maior que a dos metais e dá origem, assim, a um aquecimento
ôhmico considerável
Efeito Joule – se uma voltagem é aplicada a uma substância que tem uma
certa resistência, a energia proporcional ao quadrado da corrente através da
substância será convertida em calor
• Um elemento de aquecimento de carbeto de silício (SiC) é
tipicamente uma barra cilíndrica extrudada ou cilindro fabricado
a partir de partículas de alta pureza de carbeto de silício que
são sinterizados em um só corpo através do processo de união
de reações ou de recristalização a temperaturas que
ultrapassam 2150°C.
• A recristalização forma finas partículas de carbeto de silício
que atuam como “pontes” ou pontos de conexão entre os grãos
maiores formando, portanto, cursos condutores. O número de
pontes formado determina a resistência do material – quanto
-Várias marcas comerciais, incluindo
Globar® e StarBar®.
- Podem ser utilizados ao ar até
1650°C.
- Ciclo de vida - Os fatores que
influenciam o ciclo de vida útil de um
elemento de aquecimento de carbeto
de silício: tipo de atmosfera do forno,
a densidade em watt, a temperatura
de trabalho, o tipo de serviço
(contínuo ou intermitente) e a
manutenção.
maior for o número, mais baixa será a resistência.
•Os elementos de aquecimento de carbeto de silício, sendo
20–30% porosos, oxidam ou reagem com a atmosfera do forno
e aumentam sua resistência durante seu ciclo de vida
operacional. A oxidação causa uma redução na área da seção
transversal das pontes, resultando em maior resistência para o
fluxo elétrico.
• O oxigênio no ar reage com a partícula de carbeto de silício,
transformando-a em sílica (SiO2) como indicado pela equação
SiC + 2O2
SiO2 + CO2
• Na maioria dos casos, os elementos de aquecimento de
carbeto de silício apresentam falhas mecânicas bem antes de
apresentar falhas devido ao envelhecimento.
SiC
MoSi2
Termistores
Thermistor – “thermally sensitive resistor”
 Materiais cerâmicos semicondutores nos quais a resistência varia em função da temperatura
 São resistores termicamente sensíveis, cujas características exibem grandes mudanças na resistência
com uma pequena mudança da temperatura do corpo, devido à alteração na concentração de portadores
de carga.
 Usado para medição e controle de temperatura
 NTC (negative temperature coeficiente) apresentam um coeficiente de resistência
negativo em função da temperatura
 a resistência diminui com o aumento da temperatura
 PTC (positive temperature Coeficiente) apresentam um coeficiente de resistência
positivo em função da temperatura
 a resistência aumenta com o aumento da temperatura
Materiais utilizados na fabricação de termistores
• óxidos cerâmicos semicondutores dos elementos Mn, Ni, Fe, Co e Cu ou uma
combinação desses óxidos, sob a forma de solução sólida
Ex: Fe3O4
• Possuem íons com valência dupla
• estrutura do espinélio invertida (16 posições octaedrias e 8 posições tetraedrais)
• Íons Fe2+ ocupam os interstícios octaedrais
• íons Fe3+ ocupam metade dos interstícios octaeidras e todos os interstícios
tetraedrais
• Boa condutividade está associada a localização aleatória dos íons Fe2+ e
Fe3+ nos espaços octaedrais, de forma que a transferência de elétrons pode
ser realizada entre os íons Fe3+ e Fe2+ mantendo-se a neutralidade
MnO com íons Li em solução sólida
- íons trivalente estabelecem os vazios eletrônicos
- a temperaturas elevadas, os elétrons movem-se
para esses vazios, reduzindo a resistividade
Varistores
• 1957 – ZnO-TiO2
• 1961-1963 – ZnO-Al2O3 e ZnO-Bi2O3
• 1971 – cerâmicas multicomponentes com propriedades muito superiores
97%ZnO-1%Sb2O3-0,5%MnO-0,5%CoO-0,5%Cr2O3
• São materiais cerâmicos policristalinos cuja relação entre corrente-tensão (I-V) é não
–ôhmica
Varistores comuns são produzidos por um processo de sinterização de cerâmicas
prensadas que dão origem a uma estrutura desordenada de grãos condutores de
ZnO cercados por finas barreiras isolantes.
• São materiais cerâmicos policristalinos cuja relação entre corrente-tensão (I-V) é não –
ôhmica
•A não-linearidade I x V é definida pela equação empírica
I – corrente
V – potencial elétrico
K- constante relacionada a microestrutura do material
A – coeficiente de não linearidade
1. Região linear de baixa corrente – comportamento ôhmico
2. Região não linear – na qual a corrente varia amplamente e o potencial
correspondente tem pouca variação
3. Região linear de alta corrente
Modelo para descrever as propriedades não-ohmicas
-Presença de uma barreira de potencial localizada na região entre os grãos
-Nos varistores de ZnO dopados – grãos de ZnO dopados envolvidos numa matriz
(filme de Bi2O3) cerâmica isolante
-Na região não-linear – difusão do zinco, do oxigênio e dos elementos dopantes
durante o processo de operação do varistor, dando origem à formação da barreira de
potencial nos contornos de grão
- A baixas voltagens – material exibe baixa condutividade elétrica, porque a matriz
isolante previna a passagem de corrente elétrica entre os grãos de ZnO
- A altas voltagens – elétrons tem suficiente energia para sobrepor as barreira
isolantes entre os grãos de ZnO condutores
-A barreira de potencial existentes no contorno de grão, formada pelos dopantes, é
dependente da quantidade de defeitos induzidos por estes
Varistores de SnO2
SnO2 – não densifica, predominância
de mecanismos não-densificantes,
como evaporação-condensação
-Adição de CoO – densifica até 98,5%
DT
-Sistema
SnO2-CoO
microestrutura
mias homogênea, facilita o controle
microestrutural durante a sinterização
- Dopantes – Nb2O5, Cr2O3, Ta2O5,
MnO2
Aplicações:
• pára-raios
• dispositivos eletrônicos para proteção contra sobrecarga de tensão em circuitos
eletrônicos
•Dispositivos de descarga elétrica na rede de distribuição de energia
•Proteção de equipamentos eletro-eletrônicos de uso residencial e industrial