Semicondutores de Silício
Equipe:
Adriano Ruseler
Diego Bolsan
Semicondutores
• SEMICONDUTORES - Materiais que apresentam uma
resistividade Intermediária, isto é, uma resistividade maior que a
dos condutores e menor que a dos isolantes. Como exemplo,
podemos citar o Carbono, o Silício, o Germânio, etc.
Silício e germânio: monocristais – estrutura diamante (ligações covalentes)
Semicondutores
• Em estado puro apresenta uma condutividade elétrica
bastante limitada;
• Ao incorporar pequenas quantidades de impurezas, suas
propriedades elétricas alteram-se significativamente;
• O material pode passar, por exemplo, a conduzir
eletricidade em um único sentido, de forma que age um
diodo;
• A adição de uma outra impureza lhe confere a propriedade
de conduzir eletricidade apenas no outro sentido.
http://www.geocities.com/HotSprings/Spa/5011/semi.htm
Estrutura cristalina do Silício
O silício comercial é obtido a partir da sílica de alta pureza
em fornos de arco elétrico reduzindo o óxido com eletrodos
de carbono numa temperatura superior a 1900 ºC:
• SiO2 + C → Si + CO2
Obtenção do Silício
• O silício produzido por este
processo é denominado
metalúrgico apresentando
um grau de pureza superior a
99%.
• Para a construção de
dispositivos semicondutores
é necessário um silício de
maior pureza, silício
ultrapuro, que pode ser
obtido por métodos físicos e
químicos.
Silício - Níveis ou bandas de energia
Silício e germânio: 4 elétrons de valência – modelo atômico de
Bohr:
Configuração eletrônica :
1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
Semicondutores e Impurezas
• Representação simplificada dos átomos de Germânio (Ge);
Silício (Si); Índio (In) e Arsênio (As)
Estrutura planar do Silício à -273º C
Nessa temperatura, todas as ligações covalentes estão completas os
átomos têm oito eletrons de valência o que faz com que o átomo tenha
estabilidade química e molecular, logo não há eletrons livres e,
consequentemente o material comporta-se como um isolante.
Estrutura planar do Silício à 20o
À temperatura ambiente (20ºC) já se torna um condutor
porque o calor fornece a energia térmica necessária para que
alguns dos eletrons de valência deixem a ligação covalente
(deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns
eletrons livres no semicondutor.
Movimento das Lacunas
• No interior do cristal semicondutor, as lacunas
movimentam-se em sentido contrário ao dos elétrons.
SEMICONDUTORES
• SEMICONDUTOR INTRÍNSECO
As características elétricas do cristal são devidas ao
próprio material semicondutor, e não às suas
impurezas.
• SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO
As características elétricas do cristal se devem às impurezas
a ele adicionadas, e não aos características do próprio
material
DOPAGEM
• IMPUREZAS DOADORAS
• IMPUREZAS RECEPTORAS
IMPUREZAS DOADORAS
• Os elementos doadores que através do processo da dopagem
fornecerem excedentes ao Silício ou Germânio, serão
denominados de Doadores.
• Ao material cujo processo de dopagem deu origem à formação
de elétrons excedentes, denomina-se material tipo N.
IMPUREZAS DOADORAS
• Cristal semicondutor puro, onde átomo de Silício foi
substituído por um átomo de Arsênio.
Formação dos elementos Tipo N
• Si elemento tetravalente, se adicionarmos uma pequena
quantidade de um elemento pentavalente;
IMPUREZAS RECEPTORAS
• Os elementos que através do processo da dopagem derem
origem à formação de lacunas, serão denominados de
Receptores.
• Ao material cujo processo de dopagem, deu origem à formação
de lacunas, denomina-se material tipo P.
IMPUREZAS RECEPTORAS
• Vejamos agora o caso em que o átomo de Silício é substituído
por um átomo de índio (In)
Formação dos Elementos Tipo P
• Se ao Si que é um material tetravalente introduzirmos uma
pequena quantidade de material trivalente, teremos:
Em geral teremos:
• Todo cristal de Germânio ou Silício, dopado com impurezas
doadoras, é chamado de CRISTAL SEMICONDUTOR TIPO N
(N de negativo, referindo-se à carga do elétron).
• Todo cristal puro dopado com impurezas receptoras é chamado
de CRISTAL SEMICONDUTOR TIPO P (P de positivo,
referindo-se a carga do próton).
• Tanto no cristal tipo N como no tipo P, em cada átomo o
número de prótons é igual ao número de elétrons. Sendo assim,
o cristal impuro (tipo P ou N) é eletricamente neutro
MOVIMENTO DOS ELÉTRONS E DAS LACUNAS
NOS SEMICONDUTORES DOPADOS
• Num cristal tipo N, o fluxo de eletrons será muito mais intenso que o fluxo
de lacunas , porque o número de eletrons livres (portadores majoritários) é
muito maior que o número de lacunas livres (portadores minoritários).
MOVIMENTO DOS ELÉTRONS E DAS LACUNAS NOS
SEMICONDUTORES DOPADOS
• Entretanto, num cristal tipo P, onde o número de lacunas (portadores
majoritários) á maior que o número de electrões livres (portadores
minoritários), o fluxo de lacunas será muito mais intenso que o de
electrões livres .
Junção PN (diodo de junção)
• Se um semicondutor tipo P é colocado junto a um do tipo N, na
região de contato, chamada junção, haverá a formação de uma
barreira de potencial.
• Na junção, os elétrons portadores da parte N tendem a ocupar
lacunas na parte P, deixando esta com um potencial negativo e
a parte N com um potencial positivo e, assim, formando uma
barreira potencial Vo. Assim, a polaridade da barreira de
potencial mantém os elétrons na parte N e os buracos na parte P
.
Junção PN (diodo de junção)
• Se um potencial externo V > Vo for aplicado conforme abaixo, o
potencial de barreira será quebrado e a corrente elevada pois
existem muitos elétrons em N. Diz-se então que a junção está
diretamente polarizada.
Junção PN (diodo de junção)
• No caso de inversamente polarizada, o potencial de barreira será
aumentado, impedindo ainda mais a passagem de elétrons e a
corrente será pequena.
Diodo de Junção
• A polarização inversa tem limite. Acima de um determinado
valor ocorre um efeito de ruptura, quebrando a barreira de
potencial e a corrente sobe quase na vertical. Isso é usado em
diodos reguladores de tensão (diodos zener) por exemplo.
Junção NPN e Junção PNP
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Bipolar – dois tipos de cargas, electrões e buracos, envolvidos nos fluxos
de corrente
Junção – duas junções pn. Junção base/emissor e junção base/colector
Tipos – tipos NPN e PNP.
Terminais – Base, Emissor e Colector
Chip de silício-germânio opera a 500 GHz
• A tecnologia SiGe consiste na adição de quantidades-traço do
elemento germânio ao silício, o material de que são feitos todos
os chips. Esse acréscimo melhora consideravelmente o
rendimento do silício, fazendo os chips funcionarem mais
rapidamente e consumirem menos energia.
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010110060621
SITES:
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http://www.radioamadores.net/semicond.htm
http://www.chmullerf.hpg.ig.com.br/estmat.htm
http://www.tabelaperiodica.hpg.ig.com.br/si.htm
http://pt.wikipedia.org/wiki/Sil%C3%ADcio
http://ecewww.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_3.htm#fig2_
3_3
• http://www.mspc.eng.br/eletrn/semic1A.asp
• http://ltodi.est.ips.pt/lveriss/Elect_I/Acetatos/Acet_BJT.PDF