Aula EA1 - Tema 02 - Materiais semicondutores, condutores e isolantes

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Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente 1
Prof. Solivan Valente
solivan@up.edu.br
Tema 2 – Materiais semicondutores, condutores e isolantes
Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação
2Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Materiais semicondutores: Ge, Si e GaAs
Os dispositivos eletrônicos podem ser discretos (individuais) ou arranjados 
em um circuito integrado (CI).
Processador Intel Core 
i7 Extreme Edition, 
com 731 milhões de 
transistores.
Diodo 
modelo 
1N4007
Discreto Circuito integrado
Fonte:
BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos 
e teoria de circuitos. 11 ed. São Paulo: Pearson, 2013.
Eles são chamados de dispositivos de estado sólido porque são construídos com 
estruturas de cristal rígido, de materiais semicondutores de alta qualidade.
Semicondutores são uma classe especial de materiais, que têm condutividade 
entre a de um bom condutor e a de um isolante.
3Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Materiais semicondutores: Ge, Si e GaAs
Os semicondutores podem ser constituídos por um cristal:
• Singular – um único elemento químico:
Ex.: germânio (Ge) ou silício (Si).
• Composto – mais de um elemento químico:
Ex.: arseneto de gálio (GaAs), sulfeto de cádmio (CdS),
nitreto de gálio (GaN), fosfeto de arseneto de gálio (GaAsP) etc.
Os 3 semicondutores mais frequentemente usados na construção de 
dispositivos eletrônicos são Ge, Si e GaAs.
Cristal de
germânio (Ge)
Cristal de
silício (Si)
Cristal de
arseneto de gálio (GaAs)
4Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Características dos 3 principais semicondutores:
Materiais semicondutores: Ge, Si e GaAs
Vantagens Desvantagens
Ge
• Fácil de encontrar e 
disponível em grandes 
quantidades.
• Refino fácil.
• Frágil.
• Baixa confiabilidade.
• Grande sensibilidade a variações 
de temperatura.
Si
• Um dos materiais mais 
abundantes da Terra.
• Baixa sensibilidade à 
variação de temperatura.
• Processo de fabricação bem 
desenvolvido.
• Frágil.
• Necessita de camadas mais 
espessas do cristal.
GaAs
• Alta velocidade
(até 5x a do Si).
• Alta estabilidade térmica.
• Alto custo de produção.
5Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Os modelos de Bohr ao lado 
mostram as estruturas 
atômicas dos elementos 
químicos Si, Ge, Ga e As.
Ligações covalentes e materiais intrínsecos
(prótons e 
nêutrons)
Elemento
Elétrons em 
órbita
Elétrons de valência
Si 14 4 tetravalente
Ge 32 4 tetravalente
Ga 31 3 trivalente
As 33 5 pentavalente
O termo valência é usado para indicar que o potencial 
de ionização (energia) necessário para remover 
algum desses elétrons da estrutura atômica é muito 
menor do que o necessário para os demais elétrons 
do mesmo átomo. Ou seja, os elétrons de valência 
estão fracamente ligados ao núcleo do átomo.
Fonte:
BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos 
e teoria de circuitos. 11 ed. São Paulo: Pearson, 2013.
6Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Em um cristal puro de 
silício (Si) ou de 
germânio (Ge), cada 
átomo está ligado a 4 
átomos adjacentes por 
meio de ligações 
covalentes.
Cada elétron de 
valência é 
compartilhado por dois 
átomos próximos.
Ligações covalentes e materiais intrínsecos
Ligações covalentes em um cristal puro de SiFonte:
BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos 
e teoria de circuitos. 11 ed. São Paulo: Pearson, 2013.
7Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Como o arseneto de gálio
(GaAs) é um cristal 
composto, os elétrons 
compartilhados nas 
ligações covalentes vêm de 
átomos diferentes.
Os átomos de arsênio (As) 
compartilham 5 elétrons 
cada, e os átomos de gálio 
(Ga) compartilham 3 
elétrons cada.
Ligações covalentes e materiais intrínsecos
Ligações covalentes em um cristal composto de GaAsFonte:
BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos 
e teoria de circuitos. 11 ed. São Paulo: Pearson, 2013.
8Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
A ligação covalente resulta em uma ligação 
mais forte entre os elétrons de valência e o 
seu átomo de origem. Porém, é possível 
que os elétrons de valência absorvam 
energia cinética suficiente para quebrar a 
ligação covalente e assumir o estado de 
elétrons livres (carriers).
Ligações covalentes e materiais intrínsecos
Essa energia é fornecida por 
fontes externas, como energia 
da luz na forma de fótons e 
energia térmica (calor) do 
meio.
9Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Ligações covalentes e materiais intrínsecos
Os elétrons livres se movem por todo o material, e são altamente 
sensíveis a campos elétricos aplicados por fontes de tensão.
Fonte:
https://brasilescola.uol.com.br/fisica/cargas-eletricas-movimento.htm
+
−
https://brasilescola.uol.com.br/fisica/cargas-eletricas-movimento.htm
10Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Os elétrons livres devidos somente a causas externas são chamados de 
portadores intrínsecos. Há 2 parâmetros importantes que mostram como 
eles se comportam nos semicondutores:
Ligações covalentes e materiais intrínsecos
Concentração 𝒏𝒊
Τ𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑐𝑚3
Mobilidade relativa 𝝁𝒏
Τ𝑐𝑚2 𝑉. 𝑠
Quantidade de portadores em 
um volume de 1 𝑐𝑚3.
Capacidade dos portadores de 
se moverem pelo material.
Semicondutor 𝒏𝒊
Ge 2,5.1013 25 trilhões
Si 1,5.1010 15 bilhões
GaAs 1,7.106 1,7 milhão
Semicondutor 𝝁𝒏 Velocidade
Ge 3.900 resposta rápida
Si 1.500 resposta lenta
GaAs 8.500 resposta muito rápida
11Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Na estrutura atômica de um átomo isolado, há níveis específicos de energia 
associados a cada camada e elétron em órbita.
Níveis e bandas de energia
Quanto maior a distância de um elétron em relação ao núcleo, maior o seu 
estado de energia.
Qualquer elétron que tenha deixado seu átomo de origem (elétron livre), tem 
um estado de energia mais alto do que qualquer outro elétron na estrutura 
atômica.
Os níveis de energia 
de cada camada são 
fixos e discretos.
As regiões entre os 
níveis fixos são 
chamadas de 
"bandas proibidas"
12Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Porém, à medida que os átomos de um material são aproximados uns dos 
outros na estrutura do cristal, a interação entre os átomos expande os níveis 
de energia fixos dos elétrons de valência para bandas de energia.
Níveis e bandas de energia
(podem ter 
diferentes níveis 
de energia, 
dentro da banda)
Os semicondutores apresentam 
diferentes gaps de energia 𝐸𝑔 a 
ser absorvida pelos elétrons, para 
sair da banda de valência, entrar na 
banda de condução e se tornarem 
elétrons livres.
O elétron-volt 𝑒𝑉 é uma 
unidade de energia:
1 𝑒𝑉 = 1,6.10−19 𝐽
13Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
A diferença nos gaps de energia 𝐸𝑔 revela a sensibilidade de 
cada tipo de semicondutor às variações de temperatura e à 
incidência de radiação luminosa.
Níveis e bandas de energia
cristal de Ge cristal de Si cristal de GaAs
Aumento nas quantidades de elétrons livres
ou
Aplicações:
• O Ge pode ser útil para construir fotodetectores ou sensores de calor, mas é inadequado 
para dispositivos que precisam de grande estabilidade com a temperatura (CIs).
• LED: quanto maior o gap de energia 𝐸𝑔 , maior a possibilidade do
semicondutor emitir luz visível ou infravermelha. O nível de dopagem 
e o material determinama cor do LED.
14Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Observe que é o gap de energia 𝐸𝑔 que caracteriza a diferença entre um 
material isolante (dielétrico), um semicondutor e um material condutor.
Níveis e bandas de energia
A energia necessária para 
gerar elétrons livres é muito 
alta e, em condições 
normais, o material 
praticamente não conduz 
corrente elétrica. 
As bandas de valência e de 
condução são sobrepostas e 
há naturalmente muitos 
elétrons livres (ex. cobre).
Toda a energia externa 
absorvida pelos elétrons é 
dissipada sob a forma de 
calor (Efeito Joule).
A energia necessária para gerar elétrons livres 
varia em função do material. Com o 
fornecimento de energia, surgem rapidamente 
elétrons livres e a corrente elétrica flui. A 
energia absorvida pelos elétrons é dissipada sob 
a forma de calor (Ge e Si) ou de luz (GaAs).
Fonte:
BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos 
e teoria de circuitos. 11 ed. São Paulo: Pearson, 2013.
15Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Uma diferença importante 
entre os materiais 
semicondutores e os 
condutores é variação da 
resistência 𝜴 em função 
da variação da 
temperatura.
Níveis e bandas de energia
Nos semicondutores, o 
calor provoca redução da 
resistência, aumentando a 
corrente. Isso pode ser 
prejudicial ao dispositivo 
eletrônico ou ao 
funcionamento do circuito!
Experimento prático:
http://matse1.matse.illinois.edu/sc/b.html
Variação da resistência elétrica 𝛀
do material
Condutores
cobre, alumínio, ferro etc.
Semicondutores
Si, Ge, GaAs etc.
A resistência aumenta com 
o aumento da temperatura
Coeficiente de 
temperatura positivo (+)
A resistência diminui com o 
aumento da temperatura
Coeficiente de 
temperatura negativo (–)
𝑅𝑓𝑟𝑖𝑜
𝑅𝑞𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑅𝑓𝑟𝑖𝑜
𝑅𝑞𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒
http://matse1.matse.illinois.edu/sc/b.html
16Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Um dos mais importantes avanços tecnológicos das últimas décadas foi a 
capacidade de produzir materiais semicondutores de alta pureza, ou seja, 
com uma quantidade muito baixa de átomos estranhos no cristal.
Hoje a indústria eletrônica é capaz de atingir níveis de pureza de 1 parte em 
10 bilhões ou ainda melhores.
Dopagem de semicondutores: materiais tipo n e tipo p
Fonte:
https://www.waferworld.com/silicon-
manufacturing-computer-chips/
Fonte:
DORNBERGER, E. Prediction of OSF Ring Dynamics and
Grown-in Voids in Czochralski Silicon Crystals, 1997. 
10.13140/RG.2.1.3112.9209. 
https://www.waferworld.com/silicon-manufacturing-computer-chips/
https://www.waferworld.com/silicon-manufacturing-computer-chips/
17Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Dopagem de semicondutores: materiais tipo n e tipo p
Mas, por que a pureza do semicondutor é tão importante?
A presença de impurezas pode alterar bastante o 
comportamento do material, de um modo bom ou ruim. 
Porém, se adicionarmos as "impurezas" adequadas, na 
quantidade certa, podemos melhorar o comportamento do 
semicondutor.
Por isso, os cristais de Ge, Si e GaAs são inicialmente 
produzidos com alta pureza para, em seguida, serem 
adicionadas pequenas quantidades de certos elementos 
químicos desejados.
Esse processo de adição controlada de impurezas é 
chamado de dopagem do semicondutor.
Exemplo:
Veja mais detalhes sobre o processo de purificação dos cristais de silício em:
https://www.mksinst.com/n/silicon-wafer-production
https://www.mksinst.com/n/silicon-wafer-production
18Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Dopagem de semicondutores: materiais tipo n e tipo p
Os semicondutores sem a adição proposital de elementos de 
dopagem são chamados de materiais intrínsecos.
O semicondutores dopados são chamados de materiais extrínsecos.
Uma dopagem na proporção de apenas 1 parte em 10 milhões é capaz de 
alterar as bandas de energia a ponto de modificar totalmente as 
propriedades elétricas do material!
Há dois materiais extrínsecos de enorme importância para a fabricação de 
dispositivos eletrônicos:
• Materiais do tipo n
• Materiais do tipo p
Por ser o semicondutor mais difundido, vamos analisar apenas os materiais 
tipo n e tipo p para o silício (Si).
19Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Material do tipo n
Dopagem de semicondutores: materiais tipo n e tipo p
O material do tipo n é criado pela introdução de 
elementos de impureza com 5 elétrons de valência 
(pentavalentes), como antimônio (Sb), arsênio (As) 
e fósforo (P) em uma base de silício (Si).
Fontes:
https://www.tabelaperiodica.org
http://images-of-elements.com/, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9084452
Átomos do mesmo grupo 
da tabela periódica, todos 
com 5 elétrons de valência.
Cristal de
antimônio (Sb)
https://www.tabelaperiodica.org/
http://images-of-elements.com/
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9084452
20Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Usando o antimônio (Sb), obtemos:
Dopagem de semicondutores: materiais tipo n e tipo p
As 4 ligações covalentes ainda estão 
presentes, mas há um elétron 
adicional devido ao átomo de 
impureza.
Ele está dissociado de qualquer 
ligação covalente e está fracamente 
ligado ao átomo de Sb.
Por isso, as impurezas difundidas 
com 5 elétrons de valência são 
chamadas de átomos doadores.
Fonte:
BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos 
e teoria de circuitos. 11 ed. São Paulo: Pearson, 2013.
21Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Com a introdução dessas impurezas (átomos doadores), as bandas de energia 
do material são alteradas:
Dopagem de semicondutores: materiais tipo n e tipo p
(base "pura" 
de silício)
(do átomo de antimônio)
gap de energia 𝐸𝑔
consideravelmente menor para os 
elétrons do átomo doador (antimônio).
O resultado é que, à temperatura ambiente, há um grande número de 
elétrons no nível de condução, e a condutividade do material tipo n é muito 
maior que a da base original de silício.
22Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Material do tipo p
Dopagem de semicondutores: materiais tipo n e tipo p
O material do tipo p é criado pela introdução de 
elementos de impureza com 3 elétrons de valência 
(trivalentes), como boro (B), gálio (Ga) e índio (In) 
em uma base de silício (Si).
Átomos do mesmo grupo 
da tabela periódica, todos 
com 3 elétrons de valência.
Cristais de
boro (B)
Fontes:
https://www.tabelaperiodica.org
Por W. Oelen - http://woelen.homescience.net/science/index.html, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15553847
https://www.tabelaperiodica.org/
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15553847
23Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Usando o boro (B), obtemos:
Dopagem de semicondutores: materiais tipo n e tipo p
O número de elétrons é insuficiente 
para completar as ligações 
covalentes da estrutura.
O "espaço vazio" resultante é 
chamado de lacuna.
(representado por um círculo  ou por um sinal +)
Por isso, as impurezas difundidas 
com 3 elétrons de valência são 
chamadas de átomos aceitadores.
Fonte:
BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos 
e teoria de circuitos. 11 ed. São Paulo: Pearson, 2013.
24Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Dopagem de semicondutores: materiais tipo n e tipo p
Portadores majoritários e minoritários
No material intrínseco (sem dopagem):
• O número de elétrons livres é relativamente baixo, resultante apenas:• Dos poucos elétrons na banda de valência que adquiriram energia suficiente
de fontes externas (luz ou calor) para quebrar a ligação covalente; ou
• Das impurezas que não puderam ser removidas.
• Os espaços vazios presentes na estrutura de ligações covalentes representa 
uma quantidade muito pequena de lacunas.
Porém, após a dopagem, há portadores de carga em grande quantidade em 
função da diferença de valência entre o Si/Ge (4) e as impurezas (5 no tipo n e 3 
no tipo p).
25Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
O número de lacunas não se altera 
significativamente em relação ao 
material intrínseco (sem dopagem), 
mas há muito mais elétrons livres.
Dopagem de semicondutores: materiais tipo n e tipo p
Material do tipo n Material do tipo p
O número de elétrons livres não se 
altera significativamente em relação ao 
material intrínseco (sem dopagem), 
mas há muito mais lacunas.
No material do tipo n o elétron é 
chamado de portador majoritário e a 
lacuna de portador minoritário.
No material do tipo p a lacuna é 
chamada de portador majoritário e o 
elétron de portador minoritário.
Íons: são átomos que tiveram sua carga elétrica 
total alterada pela perda ou ganho de elétrons.
Fonte:
BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos 
e teoria de circuitos. 11 ed. São Paulo: Pearson, 2013.
26Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Fluxo de elétrons e fluxo de lacunas
Dopagem de semicondutores: materiais tipo n e tipo p
Se um elétron de valência se torna um elétron livre, ele pode ocupar o espaço 
"vazio" de uma lacuna existente. Porém, ao deixar o seu átomo de origem, ele 
deixou uma lacuna para trás. Por isso, sempre que houver movimento de 
elétrons livres em um sentido no material, as lacunas se moverão no sentido 
oposto.
O sentido do fluxo das lacunas é chamado de fluxo convencional da corrente, e 
é o sentido adotado em todas as análises de circuitos (ou seja, os elétrons 
sempre se movem no sentido oposto ao indicado por uma seta de corrente). 
𝐼
Fonte:
BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos 
e teoria de circuitos. 11 ed. São Paulo: Pearson, 2013.
27Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Dopagem de semicondutores: materiais tipo n e tipo p
Os materiais dos tipo n e tipo p representam os blocos de construção básicos 
dos dispositivos semicondutores.
Os diodos, transistores, tiristores etc. são obtidos pela "junção" de 2 ou mais 
blocos desses materiais.
Diodo
Transistor 
bipolar de 
junção (TBJ)
Transistor de 
efeito de campo 
de junção (JFET)
Exemplos:
Fonte:
BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos 
e teoria de circuitos. 11 ed. São Paulo: Pearson, 2013.
28Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação – Eletrônica Analógica I – Prof. Solivan Valente
Material complementar sobre semicondutores
https://www.youtube.com/watch?v=IyKTIXvxTZQ
Semicondutores - Silício e Germânio - Funcionamento e História
(10 min, vídeo em Português)
https://www.youtube.com/watch?v=27bmni9K71k
Conheça uma fábrica de semicondutores brasileira
(6 min, vídeo em Português)
https://www.youtube.com/watch?v=Hb1WDxSoSec
Inside The World's Largest Semiconductor Factory
(4 min, vídeo em Inglês)
https://www.youtube.com/watch?v=bor0qLifjz4
The making of a chip – from sand to semiconductor
(13 min, vídeo em Inglês)
https://www.youtube.com/watch?v=IyKTIXvxTZQ
https://www.youtube.com/watch?v=27bmni9K71k
https://www.youtube.com/watch?v=Hb1WDxSoSec
https://www.youtube.com/watch?v=bor0qLifjz4
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