Semicondutores
Estrutura cristalina dos
semicondutores
Quando os átomos se unem para formarem as moléculas de uma
substância, a distribuição e disposição desses átomos pode ser
ordenada e organizada e designa-se por estrutura cristalina.
O Germânio e o Silício possuem uma estrutura cristalina cúbica
como é mostrado na seguinte figura.
Átomo de silício
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Ligação covalente
Nessa estrutura cristalina, cada
átomo (representado por Si)
une-se a outros quatro átomos
vizinhos, por meio de ligações
covalentes, e cada um dos
quatro electrões de valência de
um átomo é compartilhado com
um electrão do átomo vizinho,
de modo que dois átomos
adjacentes compartilham os
dois electrões.
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Estrutura cristalina dos
semicondutores
Na prática, a estrutura cristalina
ilustrada na figura só é
conseguida quando o cristal de
silício é submetido à temperatura
de zero graus absolutos (ou 273ºC). Nessa temperatura,
todas as ligações covalentes
estão completas os átomos têm
oito electrões de valência o que
faz com que o átomo tenha
estabilidade química e molecular,
logo não há electrões livres e,
consequentemente o material
comporta-se como um isolante.
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Semicondutor intrínseco
Um semicondutor intrínseco
é um semicondutor no estado
puro. À temperatura de zero
graus absolutos (-273ºC)
comporta-se como um isolante,
mas à temperatura ambiente
(20ºC) já se torna um condutor
porque o calor fornece a
energia térmica necessária
para que alguns dos electrões
de valência deixem a ligação
covalente (deixando no seu
lugar uma lacuna) passando a
existir alguns electrões livres
no semicondutor.
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Semicondutor extrínseco
Há diversas formas de se provocar o aparecimento de pares electrãolacuna livres no interior de um cristal semicondutor. Um deles é através
da energia térmica (ou calor). Outra maneira, consiste em fazer com
que um feixe de luz incida sobre o material semicondutor.
Na prática, contudo, necessitamos de um cristal semicondutor em que
o número de electrões livres seja bem superior ao número de lacunas,
ou de um cristal onde o número de lacunas seja bem superior ao
número de electrões livres. Isto é conseguido tomando-se um cristal
semicondutor puro (intrínseco) e adicionando-se a ele (dopagem), por
meio de técnicas especiais, uma determinada quantidade de outros
tipos de átomos, aos quais chamamos de impurezas.
Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro
(intrínseco) este passa a denominar-se por semicondutor extrínseco.
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Processo de dopagem
Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro
(intrínseco), este passa a ser um semicondutor extrínseco.
As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco
podem ser de dois tipos: impurezas ou átomos dadores e
impurezas ou átomos aceitadores.
Átomos dadores têm cinco electrões de valência
(são pentavalentes): Arsénio (AS), Fósforo (P) ou
Antimónio (Sb).
Átomos aceitadores têm três electrões de valência
(são trivalentes): Índio (In), Gálio (Ga), Boro (B) ou
Alumínio (Al).
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Semicondutor do tipo N
A introdução de átomos
pentavalentes (como o Arsénio) num
semicondutor puro (intrínseco) faz
com que apareçam electrões livres
no seu interior. Como esses átomos
fornecem (doam) electrões ao cristal
semicondutor eles recebem o nome
de impurezas dadoras ou átomos
dadores. Todo o cristal de Silício ou
Germânio, dopado com impurezas
dadoras é designado por
semicondutor do tipo N (N de
negativo, referindo-se à carga do
electrão).
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Electrão livre
do Arsénio
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Semicondutor do tipo P
A introdução de átomos trivalentes
(como o Índio) num semicondutor
puro (intrínseco) faz com que
apareçam lacunas livres no seu
interior. Como esses átomos
recebem (ou aceitam) electrões eles
são denominados impurezas
aceitadoras ou átomos aceitadores.
Todo o cristal puro de Silício ou
Germânio, dopado com impurezas
aceitadoras é designado por
semicondutor do tipo P (P de
positivo, referindo-se à falta da carga
negativa do electrão).
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Portadores maioritários e
minoritários
Num semicondutor extrínseco do tipo N os electrões estão
em maioria designando-se por portadores maioritários da
corrente eléctrica. As lacunas (que são a ausência de um
electrão), por sua vez, estão em minoria e designam-se por
portadores minoritários da corrente eléctrica.
Num semicondutor extrínseco do tipo P as lacunas estão
em maioria designando-se por portadores maioritários da
corrente eléctrica. Os electrões, por sua vez, estão em minoria
e designam-se por portadores minoritários da corrente
eléctrica.
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Movimento dos electrões e das lacunas
nos semicondutores do tipo N
Num cristal semicondutor tipo N o fluxo de electrões será muito
mais intenso (sete larga) que o fluxo de lacunas (sete estreita)
porque o número de electrões livres (portadores maioritários) é
muito maior que o número de lacunas (portadores minoritários).
Electrões
Electrões
A lacuna comporta-se como se fosse uma partícula semelhante ao electrão,
porém com carga eléctrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor é
submetido a uma diferença de potencial, a lacuna pode mover-se do mesmo modo
que o electrão, mas em sentido contrário, uma vez que possui carga eléctrica
contrária. Enquanto os electrões livres se deslocam em direcção ao pólo positivo
do gerador, as lacunas deslocam-se em direcção ao pólo negativo.
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Movimento dos electrões e das lacunas
nos semicondutores do tipo P
Num cristal semicondutor tipo P o fluxo de lacunas será muito
mais intenso (sete larga) que o fluxo de electrões (sete estreita)
porque o número de lacunas livres (portadores maioritários) é muito
maior que o número de electrões livres (portadores minoritários).
Electrões
Electrões
A lacuna comporta-se como se fosse uma partícula semelhante ao electrão,
porém com carga eléctrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor é
submetido a uma diferença de potencial, a lacuna pode mover-se do mesmo modo
que o electrão, mas em sentido contrário, uma vez que possui carga eléctrica
contrária. Enquanto os electrões livres se deslocam em direcção ao pólo positivo
do gerador, as lacunas deslocam-se em direcção ao pólo negativo.
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