Aula 1 Resolvida - Semicondutores

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Fundamentos da Eletronica 5o. Semestre 
Prof. Dr. Edson Tafeli
Aula 1- Fundamentos sobre Semicondutores.
Escola de Engenharia .
Graduação em Engenharia Elétrica. 
Fundamentos da Eletrônica. 5º. semestre. 
Prof. Dr. Edson Tafeli.C.Santos. 
2021 
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Dispositivos à vácuo 
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Dispositivos semicondutores
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Dispositivos semicondutores
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além 2020 ????
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Introdução aos semicondutores. 
Semicondutores 
Definição: São materiais constituídos por átomos tetravalentes que se ligam por covalência, apresentando resistividade intermediaria na escala de condutibilidade elétrica. 
Exemplos: Germânio, Silício, Carbono, Estanho. 
Figura 1 – Detalhe da tabela periódica para semicondutores 
Figura 2- Detalhe da distribuição eletrônica do modelo orbital para os átomos semicondutores de Silício e Germânio 
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Os cristais semicondutores crescem em torno de uma célula unitária. O Silício é uma célula cúbica semelhante ao cloreto de sódio NaCl no caso do Germânio é um cristal tetraédrico.
Toda estrutura é originada em termos de uma semente onde o cristal é crescido. 
A figura abaixo ilustra um exemplo de cristal de Silício. 
Figura 4 – Detalhe de dois pedados de cristal de silício puro.
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MODELO PLANO DE UM CRISTAL.
É um modelo válido para qualquer semicondutor. Esse modelo representa fisicamente uma estrutura planar de um semicondutor no caso silício. 
Figura 7 – Modelo plano de um cristal 	PURO ou INTRÍNSECO.
Cumpre ressaltar que o movimento da lacuna não existe, mas sim um movimento vinculado de elétrons rompidos por agitação térmica. 
 
Figura 8 – Modelo plano simplificado de um cristal de Silício intrínseco.
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Semicondutores puros ou INTRÍNSECOS. 
 	Em uma temperatura qualquer diferente de zero há muitas ligações rompidas gerando PARES elétrons – lacuna (“holes” ) 
Figura 9 – Diagrama esquemático do modelo plano de um cristal em uma temperatura T qualquer não nula ( Silício ) .
O fenômeno pode ser descrito pela agitação térmica que a estrutura atômica está submetida. 
Entretanto, podemos quantificar a quantidade de portadores gerados ( pares e- / lacuna ) , e vamos recorrer a Física do Estado Sólido 
( a demonstração de tais equações fogem ao escopo desse curso). 
No equilíbrio térmico toda a estrutura do semicondutor estará na mesma temperatura e a concentração de pares elétrons-lacuna é uma constante nessa temperatura, ou seja: 
ni = pi = constante em T onde :
ni = concentração intrínseca de elétrons ( partic./cm3) ; 
pi = concentração intrínseca de lacunas( holes) ( partic./cm3) ;
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SEMICONDUTORES EM EQUILÍBRIO TÉRMICO. 
Os níveis de Fermi são :
 
Da física dos semicondutores demonstra-se: 
Onde : 
B- Parâmetro do material sendo B(Ge) = 3,1 x1032 B(Si ) = 7,8 x1014 
 	EG/k = -1400 para Silício e EG/k = -5100 para Germânio 
Para os átomos de Silício e Germânio teremos:
 
 para Silício.
 
 para Germânio ;
 
 
Exercício 1 : Determine em T = 300 K ( 27ºC ) o número de portadores gerados em um bloco de Silício intrínseco. 
 
Resposta ___________________________________________________
 
 
Exercício 2 : Determine em T = 300 K ( 27ºC ) o número de portadores gerados em um bloco de Germânio intrínseco. 
Resposta ___________________________________________________
 
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Exercício 1 : Determine em T = 300 K ( 27ºC ) o número de portadores gerados em um bloco de Silício intrínseco. 
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Exercício 2 : Determine em T = 300 K ( 27ºC ) o número de portadores gerados em um bloco de Germânio intrínseco. 
Resposta ___________________________________________________
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MECANISMO DE CONDUÇÃO DOS CRISTAIS SEMICONDUTORES
 Existem basicamente dois mecanismos de condução de portadores nos semicondutores são eles:
 Corrente de difusão: é resultado de uma ação mecânica sobre a massa do portador para o canal estamento de carga.
Corrente de deriva : é o resultado de uma ação elétrica sobre a carga do portador provocando arrastamento de massa. 
 CORRENTE DE DERIVA
 Vamos estudar o mecanismo de deriva em um bloco de semicondutor qualquer:
Pelo fenômeno de corrente de deriva teremos um deslocamento de massa por efeito de ação elétrica. Com base nesse conceito, vamos demonstrar para um semicondutor com o material se comporta para a mobilidade dos portadores de carga. 
A densidade de corrente de lacunas e elétrons é
Quando um campo E é aplicado ao portador as cargas p se moverão em direção
 ao campo E com velocidade 
A densidade de corrente para p vale:
A densidade de corrente para n vale :
O que resulta na lei de Ohm para semicondutores ρ ( Ω.cm ) :
Onde | q | =1,6x10-19 C , carga do elétron. 
 OBS : O índice i é sobre ser puro ou intrínseco . 
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Se tivermos um material semicondutor de comprimento L e área transversal S teremos pela lei de Ohm :
 então teremos ohms onde 
Para Silício temos como constantes medidas experimentalmente 
 e 
para o Germânio:
 
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Exercício 3 : Determine a DDP necessária para fazer circular num cristal semicondutor de Si em 300K uma corrente de 100 mA, sendo o bloco de Silício de 10 cm de comprimento e 10 cm2 de área transversal . 
Qual o problema que ocorreu? 
Resposta Alto valor de tensão resistividade 
Por que isso ocorreu? 
Resposta : Alto valor de resistividade 
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Como resolver esse problema?? Ver questão 4 
Exercício 4 . Dada a equação da resistividade dos semicondutores abaixo: 
Quais termos na equação poderemos manipular para termos um valor de ______________?? 
 
Resposta:________________________________________
 
Na AULA 2 , veremos como poderemos construir esses novos materiais. 
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