Fundamentos de Electrónica
Semicondutores
Metais

Os metais possuem uma estrutura química tal
que os electrões de valência não estão
associados a um determinado átomo. Pelo
contrário estes circulam por todo o metal.

Os electrões de valência dos metais são
designados de electrões livres e são os
responsáveis pela corrente eléctrica.
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
2
Semicondutores

Semicondutores

Os materiais semicondutores tais como o
Germânio e o Silício são cristais com quatro
electrões de valência por átomo.
Estes associam-se a átomos vizinhos através de
ligações covalentes em que existe uma partilha
de electrões entre os átomos.
Daqui resulta uma orbital que de oito electrões, o
que corresponde a um sistema bastante estável.
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
3
Estrutura de um cristal
semicondutor
Átomo de Silício com
quatro electrões de
valência
Núcleo dos
átomos de Silício
Electrões de
valência
+4
+4
+4
Ligações
covalentes
+4
+4
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
+4
4
Portadores de corrente

Os electrões de valência partilhados nas
ligações covalentes 
forte ligação ao núcleo


Á temperatura ambiente libertam-se
electrões das ligações e originam
electrões livres.
Para cada electrão livre deve existir uma
falha na ligação covalente: lacuna ou
buraco
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
5
Formação de pares electrão lacuna
Temperatura
ambiente
Electrão livre
+4
+4
+4
Lacuna ou
buraco
+4
+4
+4
Ligações
covalentes
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
6
Portadores de corrente

Electrões livres


Cargas negativas responsáveis pela geração
de corrente
Lacunas

Falhas nas ligações covalente que são
equivalentes a cargas positivas.


O deslocamento de electrões de forma a ocupar a
lacuna é equivalente à deslocação da lacuna no sentido
inverso.
São igualmente responsáveis pela geração de
corrente
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
7
Resistência

Resistência á temperatura ambiente:



< metais
>> isolantes
Um cristal de Sílicio com um centímetro de
lado apresenta uma resistividade de 230k.
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
8
Deslocamento de lacunas
Campo eléctrico
Deslocamento
de lacunas
+4
Deslocamento
de electrões
+4
A existência de uma
ligação covalente
incompleta torna fácil o
deslocamento de um
electrão de uma ligação
para outra.
Tal provoca o
movimento das lacunas
no sentido contrário, ou
seja como,
Cargas positivas
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
9
Ionização e recombinação


Á temperatura ambiente são produzidas
pares electrões lacunas, devido as colisões
entre átomos: ionização
Quando um electrão livre se encontra com
uma lacuna, este preenche a lacuna,
eliminando-se mutuamente:
recombinação
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
10
Densidade de portadores
ni  B T e
2

Dos fenómenos de
ionização e
recombinação resulta
que a uma dada
temperatura a
concentração de
electrões livres e de
lacunas é dada por..
B  5.4 1031 (silício)
Eg  1.12eV(silício)
k  8.6210-5 eV / K
k - constantede bolt zmann
n  densidade de electrõeslivres
p - densidade de lacunas
Num cristal de silício
(intrínseco) puro temos
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
3
Eg

kT
n  p  ni
2
n. p  ni
11
Mecanismos de formação de corrente

Metais


Deriva
Semicondutores

Deriva


Movimentação dos electrões livres e das lacunas sobe
acção de um campo eléctrico
Difusão

Movimentação dos electrões livres e das lacunas devido
a variação de concentração destes. Produz uma
deslocação das cargas da zona de maior concentração
para a zona de menor concentração.
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
12
Corrente de difusão
Notar que
(relação de Einstein):
p
Concentração
de lacunas
Dn
n
+ +
+ + +

Dp
p
 VT
x
Corrente de difusão
Densidade de
corrente de difusão
de lacunas:
Carga do
electrão
dp
J p  q D p
dx
Densidade
de corrente
Constante
de difusão
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
q  1.6091019 C
Densidade de corrente de
difusão de electrões livres:
dn
J n  q Dn
dx
13
Corrente de deriva

Deslocamento de portadores sobe acção de um
campo eléctrico

Lacunas
vd  P E  J pD  q p vd  q p P E
Campo eléctrico

vd  n E  J nD  q n vd  q n n E
electrões
Velocidade de
deslocamento
das partículas
Mobilidade
(dos electrões)
Daqui resulta:
Densidade de
corrente de deriva
1

q  p  p  n n 
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
14
Semicondutores Dopados

Introdução de impurezas nos semicondutores
altera as suas características eléctricas de
forma a que um dos portadores se torna
maioritário.


Tipo n - introdução de impurezas dadoras que
fornecem electrões, nomeadamente com cinco
electrões de valência.
Tipo p – introdução de impurezas receptoras
com défice de electrões, nomeadamente com três
electrões de valência.
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
15
Semicondutores Dopados
+4
+4
+5
Impureza
dadora
+4
+4
+4
+4
+3
Impureza
aceitadora
lacuna
+4
Electrão
livre
+4
+4
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
+4
Semicondutor
tipo-n
Impurezas com 5
electrões de
valência
Semicondutor
tipo-p
Impurezas com 3
electrões de
valência
16
Densidade de portadores em
semicondutores dopados



nn 0  N D
Tipo – n
O número de electrões
livres é aproximadamente
igual ao número de átomos
de impurezas introduzidas.
Sabe-se que,
nn0 pn0  ni
donde
2
2
ni
pn 0 
ND
Tipo - p

O número de lacunas é
aproximadamente igual ao
número de átomos de
impurezas introduzidas.
Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003
p p0  ND
donde
n p0
2
ni

ND
17