Materiais
Semicondutores
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+
V
V  R .I
A
I
L
.L
R
A
Resistividade
 (W.cm)
Material
Cobre
Mica
Classificação
Condutor
Isolante
Resistividade ()
10-6 [W.cm]
1012 [W.cm]
Silício (Si)
Semicondutor
50.103 [W.cm]
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Principais Razões para o uso de Semicondutores
• Fabricação com alto grau de pureza;
• Modificação das características elétricas em função da:
dopagem, temperatura e da luz (dispositivos
especializados – sensores p.ex.);
• Silício  20 a 30% da crosta terrestre.
Focar o estudo no Silício
Estender os resultados (qualitativamente) a qualquer
material semicondutor.
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Átomo de Si
(modelo de Bohr)
Núcleo
Estrutura
Eletricamente Neutra
(14e- = 14p)
A última órbita é a
chamada órbita de
valência
Órbita de Valência
Propriedades Químicas e Elétricas
Si é tetravalente (4e- na órbita de valência)
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Níveis Discretos de Energia dos Elétrons
(dualidade partícula-onda)
DE pode ser, por exemplo, calor e luz
E [ev]
Recebe DE  gap
Libera DE = gap
4a órbita
3a órbita
Valência
2a órbita
Gap
1a órbita
Núcleo
5
Ligações Covalentes
(a órbita de valência com 8e-  estabilidade)
Formação do Cristal de Silício (Intrínseco)
Ligação
Covalente
Órbita de
Valência
O cristal de Silício é eletricamente neutro
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Bandas de Energia
O modelo de cargas envolventes para os átomos do
cristal de Si é diferente dependendo das suas posições
no cristal (Si  5.1022 átomos/cm3).
E [eV]
4a órbita => Banda de Energia
Silício
Gap
Gap = 1,1eV
Órbita de Valência => Banda de Valência (BV)
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Temperatura Ambiente (TAMB = 250C)
Geração Térmica de Pares Elétron-Lacuna
• Calor (Energia Térmica  Gap) rompe algumas
ligações covalentes (Si  1,5.1010 átomos/cm3);
• Os elétrons passam da órbita de valência para a 4a
órbita;
• No espaço deixado surge uma lacuna;
Recombinação
• Quando um elétron retorna da 4a órbita para a órbita
de valência (desaparece a lacuna).
Taxa de geração  Taxa de recombinação
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Correntes de Elétrons e de Lacunas
• Na 4a órbita existem muitos níveis de energia
disponíveis e os elétrons estão livres (podem se
movimentar, por exemplo, sob a ação de uma diferença
de potencial: ddp);
• 4a órbita  Banda de Condução (BC);
• Elétrons são modelados como portadores de carga
negativos;
• A corrente de elétrons é simbolizada no sentido
contrário do fluxo destes portadores (corrente
convencional)
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O movimento da lacuna é no sentido contrário ao do
elétron  modelada como carga positiva.
Movimento da Lacuna
Movimento do Elétron
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Observações Adicionais
• A temperatura de zero absoluto (-273,15 0C) o
semicondutor comporta-se como um isolante;
• O coeficiente térmico da resistividade de um
semicondutor é negativo (T, );
• A mobilidade dos elétrons é maior
mobilidade das lacunas ( 2 a 3 vezes);
que
a
• A obtenção de semicondutores intrínsecos pode
apresentar um grau de pureza de 1:1010.
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Característica Bipolar dos Semicondutores
ITOTAL = IN + IP = Ielétrons + Ilacunas
ddp [V]
Cristal de Silício
(Intrínseco)
elétrons
BC
-
+
lacunas
BV
corrente de elétrons (I N)
corrente de lacunas (I P)
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Semicondutores Extrínsecos
• Modificação das características elétricas
de um
Semicondutor Intrínseco através do Processo de
Dopagem;
• Dopagem  Inserção de impurezas de forma
controlada (p. ex. grau de dopagem 1:107);
• Aumentar a concentração de elétrons na BC através
do uso de dopantes pentavalentes (átomos
doadores: AN, AS ou P)  Cristal N;
• Aumentar a concentração de lacunas na BV através
do uso de dopantes trivalentes (átomos aceitadores:
GA, IN ou B)  Cristal P.
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Cristal N
• Portadores Majoritários  Elétrons
• Portadores Minoritários  Lacunas
Banda de Condução
0,05 [eV]
1,1 [eV]
Nível de Energia dos Doadores
Geração Térmica - Pares Elétron-Lacuna
Banda de Valência
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Cristal P
• Portadores Majoritários  Lacunas
• Portadores Minoritários  Elétrons
Banda de Condução
Geração Térmica - Pares Elétron-Lacuna
1,1 [eV]
Nível de Energia dos Aceitadores
0,05 [eV]
Banda de Valência
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Observações
• Considerando-se o nível atômico, átomos doadores
e aceitadores são íons positivos e negativos,
respectivamente;
• Macroscopicamente, os
eletricamente neutros;
cristais
N
e
P
são
• Existem diferentes níveis de dopagem. Cristais
dopados levemente recebem o símbolo N- ou P-.
Cristais fortemente dopados são simbolizados por N+
e P+;
• Cristais fortemente dopados
tornando-se condutores.
podem
degenerar
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Junção PN
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Uma das mais importantes estruturas no estudo de
dispositivos semicondutores;
Consiste de um cristal N e de um cristal P em contato
direto.
Formação da Região de Depleção
• Existe um gradiente de concentração entre os
cristais P e N;
• O gradiente força a difusão
majoritários através da junção.
de
portadores
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Junção PN
(junção metalúrgica)
Cristal P
Cristal N
Difusão de Elétrons
Difusão de Lacunas
• Ao cruzarem a junção os portadores majoritários
deixam atrás de íons (positivos no cristal N e
negativos no cristal P).
• Cada par de íons representa um dipolo elétrico;
• O campo elétrico associado aos dipolos contraria a
difusão dos portadores majoritários.
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E [V/m ]
Cristal P
Lacunas
-
+
-
+
-
+
-
+
Os dipolos dão origem
a:
Elétrons
Região de Depleção
(Exaustão, Cargas
Espaciais)
Cristal N
W
• A região de depleção atua como uma barreira à
difusão;
• Barreira de Potencial (VT)  O cristal N é positivo
em relação ao cristal P (ou o P é negativo em relação
ao N) ;
• Para o Silício VT  0,7 [V] @ 250 C.
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Os Portadores Minoritários e a Condição de
Equilíbrio da Junção PN
• Os portadores minoritários são acelerados na região
de depleção (deriva)  Elétrons de P para N e
Lacunas de N para P;
• O valor do campo elétrico diminui;
• Aumenta a difusão de portadores
aumentando o valor do campo elétrico;
majoritários,
• Chega-se a um equilíbrio dinâmico pois as
correntes decorrentes da deriva e da difusão tendem a
se igualar.
IDERIVA = IDIFUSÃO
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Observações Importantes
• O valor de VT depende do tipo de material
semicondutor, dos níveis de dopagem e da
temperatura;
• O valor de VT tem um coeficiente térmico negativo 
 -2 [mV/ oC] para o Si;
• Não é possível medir VT com um multímetro! (alguns
autores fazem VT = Vbi, ou seja, “Built In Voltage” –
Tensão Embutida);
• Macroscopicamente, a junção PN
eletricamente neutra e em equilíbrio;
permanece
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