teoria dos semicondutores

TEORIA DOS SEMICONDUTORES
Dos materiais utilizados no campo da eletrônica, temos:
CONDUTOR - Material que mantém um fluxo de carga quando uma tensão, de amplitude
limitada, é aplicada em seus terminais.
ISOLANTE - Material que oferece um nível muito baixo de condutividade quando se
aplica uma fonte de tensão.
SEMICONDUTOR - Material que mantém um nível de condutividade entre os extremos
de um isolante e um condutor.
BONS CONDUTORES - Cobre é um bom condutor – 29 prótons e vinte nove elétrons,
bem como ouro e prata.
Somente um elétron na última camada – força menor para anular a atração do núcleo.
Bandas de Energia
Um átomo é formado por elétrons que giram ao redor de um núcleo composto por prótons
e nêutrons.
Os elétrons giram em órbitas ou níveis bem definidas conhecidas como K,L,M,N,O,P E Q.
Elétrons de maior energia estão situados nas órbitas mais externas.
Cada órbita possui um número máximo de elétrons.
Ne = 2n2
K = (n=1) = 2
L = (n=2) = 8
M = (n=3) = 18
N = (n=4) = 32
Ge
2
8
18
4
32
Modelo atômico de Bohr
Órbita externa = Órbita de valência ou Banda de Valência – controla as propriedades
elétricas do átomo. Elétrons nesta banda pode se libertar ou se ligar a outro átomo através
de ligações covalentes. A quantidade de elétrons nesta camada tem influencia significativa
nas características elétricas do elemento.
Elétrons livres – Órbita mais externa ou Banda de Condução, qualquer tensão faz com
um elétron livre circule de um átomo para o outro.
Banda proibida – região entre uma órbita e outra onde não é possível existir elétrons. A
largura dessa banda, define o comportamento elétrico do material.
Si
2
8
4
0
14
FATORES QUE
MATERIAIS:
INFLUENCIAM
NA
DIFERENÇA
ENTRE
DIVERSOS
Composição química – cobre, carbono, silício, etc.
Ligação – covalente, iônica ou metálica
Forma de organização – Estrutura amorfa – quando estão desorganizados
– Estrutura cristalina – quando estão organizados
ION POSITIVO – Quando um átomo neutro perde um ou mais elétrons.
ION NEGATIVO – Quando um átomo ganha elétrons ele fica negativamente carregado.
MATERIAIS SEMICONDUTORES
Os semicondutores possuem 4 elétrons na camada de valência e precisam de mais 4 para se
tornaram estáveis, e o fazem com a participação dos átomos vizinhos => todos entre si =>
formando uma ligação firme e estável chamada de cristal.
LIGAÇÃO COVALENTE – Cada átomo compartilha um par de elétrons com os
vizinhos.
Obs.: Existem também materiais conhecidos como semicondutores III-V que são formados
a partir da ligação entre um elemento trivalente e um pentavalente. Os mais comuns são o
arseneto de gálio (GaAs) e o fosfeto de índio (InP).
O Silício (Si) por ser o mais abundante na natureza é o material mais utilizado (pode ser
obtido a partir de quartzo que é encontrado na areia da praia e na terra) e portanto, é mais
barato.
ESTRUTURA ATÔMICA DO ÁTOMO DE SILÍCIO
Quando átomos de silício se combinam para formar um sólido, cada átomo cede dois
elétrons para o seu vizinho (ligação covalente), de tal forma que cada um fica com oito
elétrons na ultima camada, tonando-se, portanto estável, segundo um padrão ordenado
chamado de Cristal.
CORRENTE NOS SEMICONDUTORES
Dois tipos de fluxo de corrente – quando há ruptura de uma ligação covalente em um
semicondutor, será deixada uma lacuna na estrutura do cristal em virtude da perda de um
elétron. Como as lacunas são preenchidas por elétrons próximos, deixando em seu lugar
uma outra lacuna, o efeito total é de uma unidade de carga positiva deslocando-se do
primeiro para o segundo átomo, corrente de lacunas e em sentido oposto corrente de
elétrons.
Obs.: A Energia térmica pode causar uma Corrente no cristal pela agitação dos elétrons,
quanto maior a temperatura, maior será as vibrações mecânicas.
Corrente de deriva – quando se aplica uma diferença de potencial em um semicondutor, o
campo elétrico estabelecido no material faz com que os elétrons livres desloquem-se numa
direção e as lacunas em outra oposta, essas duas componentes somam-se em vez de
cancelarem-se. Os elétrons livres e as lacunas são muitas vezes chamados de portadores.
SEMICONDUTOR INTRÍNSECO – é um semicondutor puro, ou seja, todos os átomos
do cristal são de silício (Si), ou germânio (Ge) ou arseneto de gálio (GaAs) ou fosfeto de
índio .
Obs.: A –273oC o semicondutor intrínseco se comporta como um isolante perfeito.
SEMICONDUTOR EXTRÍNSICO
Forma de se aumentar a condutibilidade de um semicondutor, isso significa adicionar
impurezas aos átomos. Um condutor dopado é chamado de semicondutor extrínseco.
Para aumentar o número de elétrons livres, adiciona-se átomos pentavalentes ao silício em
fusão, ex.: arsênio (As), antimônio(Sb) e fósforo (P) este processo é chamado de dopagem.
Por possuírem elétrons livres em excesso são chamados de material tipo N.
Num material tipo N os elétrons livres são chamados de portadores majoritários e as
lacunas de portadores minoritários.
Tipo N
Tipo P
Para aumentarmos o número de lacunas, utilizamos impurezas trivalentes, cujos átomos
possuem apenas três elétrons de valência, ex.: alumínio (Al), boro (Bo) e gálio (Ga).
Por possuírem lacunas em excesso são chamados de material tipo P.
Num material tipo P as lacunas são os portadores majoritários e os elétrons os portadores
minoritários.
O DIODO SEMICONDUTOR – JUNÇÃO PN
O diodo semicondutor é formado juntando-se um bloco de material tipo P com um bloco de
material tipo N – Junção PN
Diodo não polarizado – No momento da junção haverá uma corrente de difusão, criando
uma região de íons negativos e positivos não combinados chamado de Região de Depleção
e a distribuição da carga nessa área é chamado de Carga Espacial.
A largura da região de depleção dependente dos níveis de dopagem dos materiais P e N.
O Campo elétrico que aparece na região de depleção devido aos íons positivos e negativos
é chamada de Barreira de potencial.
À temperatura de 25o C, a barreira de potencial é aproximadamente 0,3 V para o Ge e 0,7 V
para o Si.
Formação da Junção PN – A= átomos aceitadores; h = lacunas associadas; D = átomos
doadores; e = elétrons associados; + = íons positivos e - = íons negativos.
SIMBOLOGIA
O lado P da junção PN é conhecido como anodo (A) do diodo e o lado N como catodo
(K).
POLARIZAÇÃO DIRETA E REVERSA DAS JUNÇÕES
Uma junção PN polarizada diretamente, os elétrons livres do lado N são atraídos pelo
pólo positivo da fonte externa e as lacunas são forçadas a entrar na região P. Elétrons
difundem-se pela região de depleção e recombinam-se com as lacunas do material P. A
região de depleção estreita-se com a polarização direta. A tensão direta aplicada tem que
ser maior do que a diferença de potencial que aparece na junção, que para o semicondutor
de silício, está compreendida ente 0,5 e 0,8 V (valor normalmente utilizado 0,7 V)
Uma junção PN polarizada reversamente a fonte de tensão está invertida aumentando a
barreira de potencial na junção.
Nesse tipo de polarização, o pólo positivo atrairá os elétrons e o pólo negativo as lacunas,
aumentando assim a barreira de potencial, não havendo, portanto condução de corrente
elétrica devido aos portadores majoritários, existindo apenas uma corrente devido aos
portadores minoritários – corrente de Saturação (Is), que para o Silício é da ordem de
nanoamperes (nA), tornando-se desprezível e muito menor que a do Germânio, daí o silício
ser muito mais utilizado.
Corrente de Fuga da superfície – corrente que circula na superfície do cristal devido as
ligações covalente quebradas.
RUPTURA
Valor de tensão reversa que um diodo pode suportar. Ao se aumentar a tensão reversa os
portadores minoritários são acelerados e colidem com os átomos do cristal liberando
elétrons de valencia, ou seja, produzem elétrons livres, que por sua vez colidem com outros
átomos liberando mais elétrons livres, que vão se somando aos já existentes até que a
corrente se torne muito alta e o diodo conduz intensamente. A tensão de ruptura depende do
nível de dopagem. Diodos retificadores possuem tensão de ruptura geralmente maior que
50V.
.
O EFEITO ZENEER
Diodos fortemente dopados a camada de depleção é muito estreita fazendo com que a
tensão de ruptura ocorra para valores de tensão mais baixos, significa dizer que a tensão
permanece constante independente da corrente (reversa) que circule por ele. Diodos que
utilizam esta propriedade são chamados de diodo Zener, muito utilizados como referencia
de tensão.
Resistor de limitação de corrente e Reta de carga
A corrente no diodo será:
Vs  Vd
R
R é chamado de resistor de limitação de corrente, pois a corrente que circula nele é a
mesma que circula no diodo.
I
Dissipação máxima de potência
O produto da corrente pela tensão direta determinará a potência máxima, no entanto, uma
vez respeitada a corrente nominal máxima o diodo não queimará.
O DIODO IDEAL
O diodo ideal funciona como uma chave.
Considerando que o diodo só conduz após ter vencido a barreira de potencial de 0,7V.
Considerando a resistência de corpo rB do diodo