SEMICONDUTORES
Condução Eletrônica
A corrente elétrica é resultante do movimento de partículas
carregadas eletricamente como resposta a uma força de
natureza elétrica, em função do campo elétrico aplicado.
Partículas carregadas positivamente são deslocadas
(aceleradas) na direção do campo elétrico, enquanto as
partículas carregadas negativamente na direção oposta.
Na grande maioria dos materiais sólidos a corrente elétrica
surge do fluxo de elétrons.
SEMICONDUTORES
Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos
Em todos condutores, semicondutores e em muitos
materiais isolantes somente a condução eletrônica existe.
A magnitude da condutividade elétrica é fortemente
dependente do número de elétrons disponíveis para
participar do processo de condução.
Vimos anteriormente a estrutura de um átomo isolado.
Para cada átomo individual existe níveis de energia
discretos que podem ser preenchidos pelos elétrons.
SEMICONDUTORES
Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos
As camadas são designadas pelos inteiros (1, 2, 3,etc.) e as
sub-camadas pelas letras (s, p, d, f).
Para cada uma das sub-camadas, existem respectivamente
um,três, cinco e sete estados.
Os elétrons, na maior parte dos átomos tendem a ocupar os
estados com energia mais baixa.
Os conceitos discutidos anteriormente são válidos para o
caso de um átomo isolado.
SEMICONDUTORES
Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos
Suponha agora que estes conceitos serão ampliados para
um material sólido.
Um sólido consiste de um grande número de átomos que
quando juntos, se ligam para formar um arranjo atômico
que define a sua estrutura cristalina.
Em grande distâncias (separação entre os átomos), cada
átomo é independente de todos os outros e terá nível de
energia atômico e configuração eletrônica como se fosse
isolado.
SEMICONDUTORES
Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos
À medida que os átomos ficam próximos, ocorre
perturbação dos níveis de energia de um determinado
átomo pelos elétrons e núcleo de átomos adjacentes.
Esta influência se dá de tal maneira que cada estado
atômico distinto pode se dividir em uma série de estados
próximos, para formar o que chamamos de banda de
energia eletrônica.
SEMICONDUTORES
Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos
SEMICONDUTORES
Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos
No interior de cada banda, os estados de energia são
discretos sendo a diferença entre eles bastante pequena.
SEMICONDUTORES
Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos
O número de estados dentro de cada banda será igual ao
total de todos os estados contribuídos pelos N átomos.
Por exemplo, uma banda “s” consistirá de N estados e a
banda “p” consistirá de 3N estados.
Os elétrons que ocuparão determinada banda de energia
correspondem aos elétrons que fazem parte de um
determinado nível de energia no átomo isolado.
Por exemplo, a banda de energia 4s no sólido conterá os
elétrons 4s dos átomos isolados.
SEMICONDUTORES
Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos
As propriedades elétricas de um material sólido são
consequência de sua estrutura de banda eletrônica, isto
é do arranjo da estrutura de banda mais externa.
SEMICONDUTORES
Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos
As propriedades elétricas de um material sólido são
consequência de sua estrutura de banda eletrônica, isto
é do arranjo da estrutura de banda mais externa.
Metais:
SEMICONDUTORES
Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos
Semicondutores e isolantes:
SEMICONDUTORES
Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos
Semicondutores e isolantes
No caso anterior, os elétrons precisam ter energia para
passar pela banda proibida “band gap” em direção aos
estados vazios na banda de condução.
O número de elétrons excitados termicamente para o
interior da banda de condução depende da largura da banda
proibida como também da temperatura.
SEMICONDUTORES
Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos
Semicondutores e isolantes
Quanto maior for a largura da banda proibida, menor
será a condutividade elétrica numa dada temperatura.
Dessa maneira, a distinção entre semicondutores e
isolantes está na largura da banda proibida. Para
semicondutores ela é pequena, enquanto para isolantes
ela é relativamente grande.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUTIVIDADE
A condutividade elétrica dos materiais semicondutores não
é tão elevada quanto a dos metais, entretanto eles
apresentam características elétricas especiais destinadas a
certos propósitos.
As propriedades elétricas destes materiais
extremamente sensíveis a presença de impurezas.
Existem dois tipos de semicondutores:
são
SEMICONDUTORES
SEMICONDUTIVIDADE
Semicondutores intrínsecos: o comportamento elétrico é
baseado na estrutura eletrônica relacionada com o material
puro (sem impurezas).
Semicondutores extrínsecos: nesse caso as características
elétricas são determinadas pelos átomos de impurezas.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA
Os semicondutores intrínsecos são caracterizados por
terem a estrutura de banda mostrada na figura anterior.
A 0 K, eles apresentam a banda de valência completamente
preenchida e separada da banda de condução por uma
banda proibida.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA
Os dois semicondutores mais importantes são o silício (Si)
e o germânio (Ge) com gap de energia de 0,7 eV e 1,1 eV
respectivamente.
Ambos são encontrados na família 4 A da tabela periódica
e são ligados de maneira covalente.
A tabela a seguir fornece algumas informações sobre os
elementos citados anteriormente e os principais compostos.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA
Conceito de lacuna
Nos semicondutores intrínsecos para cada elétron excitado
em direção a banda de condução, existe um espaço vazio
deixado por este em uma das ligações covalentes.
A lacuna pode ser tratada como uma partícula carregada
positivamente que se move em direção oposta ao elétron.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA
Sem a presença de campo elétrico
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA
Com a presença de campo elétrico
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA
Com a presença de campo elétrico
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Praticamente todos semicondutores comerciais são extrínse
cos, isto é, o comportamento elétrico é determinado por
impurezas, que quando presentes até mesmo em pequenas
concentrações introduzem excesso de elétrons ou de
lacunas.
Semicondução extrínseca tipo n
Um átomo de silício tem quatro elétrons de valência, sendo
cada um ligado de maneira covalente com um dos quatros
átomos de silício adjacentes.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Se um átomo de impureza com cinco elétrons de valência
for adicionado a estrutura constituída por átomos de silício,
então somente quatro dos cinco elétrons de valência dos
átomos de impurezas podem participar no processo de
ligação.
Fica então um elétron ao redor do átomo de impureza com
fraca atração eletrostática. Este elétron é facilmente
removido do átomo de impureza tornando-se elétron livre
ou de condução.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Fósforo com cinco elétrons de valência adicionado.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Fósforo com cinco elétrons de valência adicionado.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Fósforo com cinco elétrons de valência adicionado.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Como a impureza doa o elétron para a banda de condução,
esta é denominada de doadora.
Desde que o elétron é originado do átomo de impureza,
nenhuma lacuna é criada na camada de valência.
Na temperatura ambiente, a energia térmica disponível é
suficiente para excitar grande quantidade de elétrons para a
banda de condução.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Os elétrons oriundos da ligação covalente são em menor
quantidade, ou seja, existem poucas lacunas que são os
portadores de carga minoritários.
Esse tipo de material é denominado “tipo n”, e os elétrons
são os portadores de carga majoritários em função de sua
densidade ou concentração.
As lacunas nesse tipo de material são os portadores de
carga minoritários.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Semicondução extrínseca tipo – p
Como situação oposta a definida anteriormente, um átomo
de impureza com três elétrons de valência é adicionado a
estrutura do silício ou do germânio.
Uma das ligações covalentes ao redor deste átomo estará
faltando um elétron. Tal deficiência pode ser vista como
uma lacuna que está fracamente ligada ao átomo de
impureza.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Semicondução extrínseca tipo – p
Tal lacuna pode ser liberada do átomo de impureza pela
transferência de um elétron de uma ligação adjacente.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Semicondução extrínseca tipo – p
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Semicondução extrínseca tipo – p
Observe com base na figura anterior que cada átomo de
impureza introduz um nível de energia na “band gap”.
Um lacuna pode ser imaginada como sendo criada na
banda de valência pela energia térmica de um elétron da
banda de valência para ocupar o estado energético da
impureza.
Dessa forma, somente um portador é produzido. Esse tipo
de impureza é denominada de receptora.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Semicondução extrínseca tipo – p
Para este tipo de condução extrínseca, as lacunas estão
presentes em maior quantidade do que os elétrons. Esse
tipo de material é chamado do “tipo p”.
Isto ocorre porque partículas carregadas positivamente são
responsáveis pela condução elétrica.
Então, as lacunas são os portadores majoritários e os
elétrons são os portadores minoritários.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Os semicondutores extrínsecos (tipo –n e tipo-p) são
produzidos a partir de materiais que inicialmente
possuem elevada pureza.
Concentrações controladas de doadores e receptores
específicos são intencionalmente adicionadas. Esse
processo é conhecido como dopagem.
SEMICONDUTORES
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Nos semicondutores extrínsecos um grande números de
portadores de carga (elétrons ou lacunas) são criados na
temperatura ambiente.
Como consequência, uma elevada condutividade elétrica
na temperatura ambiente é obtida.
SEMICONDUTORES
DEPENDÊNCIA DA TEMPERATURA
DA CONCENTRAÇÃO DE PORTADORES
SEMICONDUTORES
DEPENDÊNCIA DA TEMPERATURA
DA CONCENTRAÇÃO DE PORTADORES
Para o semicondutor extrínseco a concentração de
portadores em função temperatura é diferente do
semicondutor intrínseco.
SEMICONDUTORES
DEPENDÊNCIA DA TEMPERATURA
DA CONCENTRAÇÃO DE PORTADORES