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Aula 9 Semicondutores

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1
Profa. Dra. Eliane Sloboda Rigobello
Universidade Tecnológica Federal do Paraná 
Campus Campo Mourão –PR
Curso: Engenharia Eletrônica
Disciplina: Química
 Para entender o comportamento elétrico dos materiais
e fazer a seleção e decidir a técnica de processamento.
Por exemplo: alguns materiais precisam ser excelentes
condutores elétricos como os fios de conexão, enquanto
outros devem ser isolantes, como o encapsulamento de
proteção de circuitos.
2
Por que estudar as propriedades elétricas dos 
materiais?
Por que estudar as propriedades elétricas dos 
materiais?
 Semicondutores  (ex., silício) dependem da estrutura 
das suas bandas eletrônicas (estados de energia 
ocupados por elétrons) disponíveis para o processo de 
condução
 Adição de átomos de elementos específicos afeta a 
estrutura da banda
 Características elétricas e o mecanismo de operação de 
dois dispositivos semicondutores diferentes 
empregados em circuitos integrados
3
Objetivos
 Estudar o fenômeno da condução elétrica: mecanismos 
de condução por elétrons e a estrutura da banda de 
energia
 Metais, semicondutores e aos isolantes
4
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA ()
É o movimento de cargas
elétricas (elétrons ou íons) de
uma posição para outra.
 = 1/= n.q.
= condutividade elétrica (Ω-1.cm-1)
= resistividade elétrica (Ω.cm)
n= número de transportadores de carga, n,
no material por cm3
q= carga carregada pelo transportador
(coulombs) [q do elétron= 1,6x10-19
coulombs ou amperes.segundos]
= mobilidade dos transportadores de
carga (cm2/V.s)
5
R =  . l/A 
  é indicativo da facilidade pela qual um material 
é capaz de conduzir uma corrente elétrica.
 Faixa de  nos materiais sólidos 27 ordens 
de grandeza, ampla faixa de classificação
6
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA ()
 Os condutores da ordem de 107 Ω-1.cm-1. 
Os metais são bons condutores. 
 Os semicondutores 10-6 a 104 Ω-1.cm-1. 
 Silício
 Os isolantes 10-10 a 10-20 Ω-1.cm-1. 
Materiais sólidos iônicos e covalentes são maus 
condutores.
7
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA ()
SEMICONDUTORES
 A condutividade pode ser aumentada com a
presença de imperfeições nos cristais.
Por exemplo: silício contendo um átomo de
alumínio.
8
SEMICONDUTORES
Exemplos:
 Silício, Germânio (Grupo 14 da Tabela Periódica)
 GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo 3 e 15 da
Tabela Periódica)
 PbS, CdTe (Grupo 12 e grupo 16 da Tabela
Periódica)
 95% dos dispositivos eletrônicos são fabricados com
Silício (grupo 14)
 65% dos dispositivos de semicondutores do grupo 3-15
são para uso militar 9
EXEMPLOS DE SEMICONDUTORES
São usados para a fabricação dos seguintes dispositivos
eletrônicos e optoeletrônicos (ópticos e eletrônicos):
 Transistor
 Diodos
 Circuito integrado
 LEDS
 Detectores de infravermelho
Células solares, etc.
10
CAMPOS DE APLICAÇÃO DOS 
DISPOSITIVOS DE SEMICONDUTORES
 Indústria de computadores (memórias,
microprocessadores, etc.)
 Indústria aeroespacial
 Telecomunicações
 Equipamentos de áudio e vídeo
 Relógios
 Na robótica
 Sistemas industriais de medidas e controles
 Sistemas de segurança
 Automóveis
 Equipamentos médicos,...
11
RESISTIVIDADE VERSUS TEMPERATURA
PARA UM SEMICONDUTOR
O aumento da temperatura fornece energia que
liberta transportadores de cargas adicionais.
A resistividade diminui (condutividade aumenta)
com o aumento de temperatura (ao contrário dos
metais).
12
SEMICONDUTORES
13
EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA DO 
MATERIAL NA RESISTIVIDADE
Dispersão 
fortalecida
Trabalhado 
a frio
14
EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA DO 
MATERIAL NA RESISTIVIDADE
ESTRUTURA PERFEITA A 
BAIXA TEMPERATURA
MOVIMENTO DOS ELÉTRONS A MAIS
ALTA TEMPERATURA
MOVIMENTO DOS ELÉTRONS
EM UMA ESTRUTURA COM IMPUREZAS
O nº de defeitos na 
estrutura de metais 
diminui a condutividade 
porque aumenta o 
espalhamento dos elétrons
15
BANDAS DE ENERGIA NOS SÓLIDOS
O número de elétrons disponíveis para a condução de corrente está
relacionado com o arranjo dos níveis eletrônicos em relação a
energia.
Para cada átomo existem níveis discreto de energia que podem ser
ocupados por elétrons, os quais estão arranjados em camadas (1,2,3
etc.) e subcamadas (s, p, d e f). Para cada uma das subcamadas
existem um, três, cinco e sete orbitais, respectivamente. Cada orbital
comporta dois elétrons de spins opostos, de acordo com o princípio
da exclusão de Pauli.
BANDAS DE ENERGIA NOS SÓLIDOS
• Os semicondutores se caracterizam por sua estrutura eletrônica em
bandas de energia.
• Os elétrons de valência (camada mais externa) de dois átomos
adjacentes interagem entre si, quando são aproximados um do outro,
como acontece em um sólido cristalino.
• Como não mais de dois elétrons que interagem podem pertencer ao
mesmo nível de energia, isso faz com que novos níveis de energia
sejam estabelecidos, originando então bandas de energia (níveis
discretos de energia, mas com diferenças apenas infinitesimais)
• A banda de energia corresponde à um nível de energia de um átomo
isolado.
• As bandas de energia nem sempre se sobrepõem.
• Assim como orbitais, as bandas de energia podem comportar no máximo
dois elétrons. Por exemplo: uma banda p consistirá de 3N estados (3
orbitais). 16
17
BANDAS DE ENERGIA NOS SÓLIDOS
As propriedades 
elétricas de um 
material sólido são 
consequência da 
estrutura da sua 
banda eletrônica, ou 
seja, do arranjo das 
bandas eletrônicas 
mais externas e da 
maneira pela qual 
elas são 
preenchidas com 
elétrons. 
Nº de estados eletrônicos 
de cada banca = N 
átomos
1s
2s
2p
Separação 
interatômica (r)
Sólido = grande nº de átomos (N átomos) 
ligados em um arranjo atômico ordenado
Geometria Molecular
a) Sobreposição em fase (adição) b) Sobreposição fora de fase (subtração)
Quando ondas são combinadas, elas podem interagir construtivamente (em fase –
adição) ou destrutivamente (fora de fase – subtração).
Interferência construtiva produz uma onda de maior intensidade do que as ondas
originais
Interferência destrutiva produz uma onda de menor intensidade que as ondas
originais
18
Bandas de energia 
19
GAP DE ENERGIA 
(BANDA PROÍBIDA)
 É o espaço entre as bandas de energia
(não tem elétron)
 É o que distingue um semicondutor de 
um condutor ou isolante.
20
NÍVEL DE ENERGIA DE FERMI
 É a energia correspondente ao estado preenchido
mais elevado a 0 K.
21
Possíveis bandas eletrônicas 
nos sólidos a 0 K.
22
Alguns 
Metais
Alguns 
Metais
a) Ex.: Cu: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9 d) Ex.: Si e Ge (Grupo 14 tabela periódica)
b) Ex.: Mg: 1s2 2s2 2p6 3s2
c) Em materiais muito puros os elétrons não podem ter energia dentro do espaçamento entre as 
bandas BV e BC – Energia gap ou energia proíbida
3s
3p
Isolante SemicondutorEf = energia 
de Fermi 
- Somente 
elétrons 
com energia 
acima da Ef
podem ser 
excitados
Ef Ef
 Para metais: 
 Fig. 18.a e 18.b existem estados de energia vazios
adjacentes a Ef. Assim, muito pouca energia é
necessária para promover elétron para os estados
vazios. Geralmente energia elétrica já é suficiente para
promover os elétrons.
 Além disso, nos metais os elétrons de valência estão
livres, não são ligados a nenhum outro átomo,
aumentando sua condutividade.
23
Possíveis bandas eletrônicas 
nos sólidos a 0 K.
Isolantes e Semicondutores
 Para isolantes e semicondutores, os estados vazios adjacentes ao topo da
banda de valência preenchida não estão disponíveis. Para tornar os elétrons
livres eles devem ser promovidos para a banda de condução (estados
vazios)
 A excitaçãodo elétrons só é possível através do fornecimento de uma
diferença de energia entre estes dois estados, o que é aproximadamente
igual à energia da banda Eg.
 Normalmente a fonte de excitação é calor ou luz.
 Quanto maior for o intervalo de banda, menor a condutividade elétrica a
uma dada temperatura.
 Assim, a distinção entre os semicondutores e isoladores reside na largura
da banda gap. Para semicondutores é estreita, enquanto que para
materiais isolantes é relativamente larga.
24
 Nos materiais sólidos formados por ligação iônica ou covalente,
os elétrons são fortemente ligados ou compartilhado com os átomos
individuais. Esses elétrons não estão livres para conduzir corrente
elétrica.
 No entanto, a ligação covalente em semicondutores é
relativamente fraca, o que significa que os elétrons de valência não
são tão fortemente ligados aos átomos. Consequentemente, esses
elétrons são mais facilmente removidos por excitação térmica do
que em isolantes.
 Materiais isolantes: Ligações covalentes com elétrons fortemente
ligados.
25
Isolantes e Semicondutores
 Se aumentar a temperatura de qualquer semicondutor
ou isolante resulta em um aumento da energia térmica
que está disponível para excitação dos elétrons. Então
mais elétrons são promovidos para a banda de
condução, o que dá origem a uma melhor
condutividade.
26
Isolantes e Semicondutores
Condutividade nos 
semicondutores
 Outra entidade carregada é o buraco, encontrado em
semicondutores e isolantes, tem energia menor que a
Ef e também participa de condução eletrônica.
 Portanto, a condutividade elétrica é uma função direta
do número de elétrons livres e buracos.
 Além disso, a distinção entre os condutores e não
condutores e semicondutores encontra‐se em os
números desses portadores de carga, de elétrons livres
e os buracos.
27
Para um Metal
28
Para um semicondutor ou 
isolante
29
Elétron livre
buraco
CONDUTOR
 Os elétrons não
preenchem todos os
estados possíveis da
banda de valência e por
isso a condução ocorre
na banda de valência.
 Em um metal o nível
de Fermi esta localizado
na banda de valência.
30
Nível de Fermi
Banda de valência
incompleta
ISOLANTES
 Os elétrons 
preenchem todos os 
estados possíveis da 
banda de valência e por 
isso a condução NÃO
ocorre na banda de 
valência.
31
Um semicondutor difere de um isolante pelo tamanho do gap de
energia
 Gap de um Semicondutor: 0,1-5 eV
 Gap de um isolante é maior
Nível de fermi
BANDA 
DE 
CONDUÇÃO
BANDA 
DE 
VALÊNCIA
GAP DE ENERGIA
SEMICONDUTOR
 Da mesma forma 
que nos isolantes, os 
elétrons preenchem 
todos os estados 
possíveis da banda 
de valência.
32
Nível de fermi
BANDA 
DE 
CONDUÇÃO
BANDA 
DE 
VALÊNCIA
GAP DE ENERGIA
SEMICONDUTOR
 Em um semicondutor, os elétrons podem ser 
excitados para a banda de condução por energia 
elétrica, térmica ou óptica (fotocondução)
  Quando um elétron é excitado para a banda de
condução deixa um buraco ou uma vacância na
banda de valência que contribui também para a
corrente.
33
CONDUÇÃO INTRÍNSECA 
(SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)
 É a condução resultante dos movimentos eletrônicos
nos materiais puros.
 Um semicondutor pode ser tipo "p"
(condução devido aos buracos, carregados
positivamente) ou tipo "n" (condução devidos aos
elétrons, carregados negativamente)
 Este tipo de condução se origina devido a presença
de uma imperfeição eletrônica ou devido a presença
de impurezas residuais.
34
 Conceito de buraco
 Em isolantes e semicondutores, para cada elétron
excitado da banda de valência para a banda de
condução ficará um elétron em falta em uma das
ligações covalentes, ou na banda de valência.
 Já em condutores (metais) as transições de elétrons
normalmente ocorrem do estado preenchido para o
estado vazio dentro da mesma banda , sem a criação de
buracos.
35
CONDUÇÃO INTRÍNSECA 
(SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)
36
CONDUÇÃO INTRÍNSECA 
(SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)
14Si 
1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
4 elétrons de 
valência -
hibridização sp3
Sobre a influência de um 
campo elétrico, a falta de 
um elétron ocasiona um 
deslocamento, pelo 
movimento de outros 
elétrons de valência,
que enchem 
repetidamente a ligação 
incompleta.
 Para o comportamento intrínseco, as propriedades elétricas são 
inerentes ao material puro e as concentrações de elétrons e buracos 
são iguais.
37
CONDUÇÃO INTRÍNSECA 
(SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)
onde e é a carga do elétron, p é o número de buracos por m3 e h é a 
mobilidade dos buracos. 
Como n = p = ni
38
CONDUÇÃO INTRÍNSECA 
(SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)
 Elementos Si e Ga
 Elementos dos grupos 13 e 15, por exemplo GaAs e InSb;
 Elementos dos grupos 12 e 16, como CdS e ZnTe. 
 À medida que os dois elementos que formam estes compostos 
tornam-se mais afastados um do outro no que diz respeito às suas 
posições relativas na tabela periódica (isto é, as eletronegatividades 
tornar-se mais desiguais), a ligação química torna-se mais iônica e a 
magnitude da banda de energia gap aumenta, e os materiais tendem 
a tornar-se mais isolante. 
39
CONDUÇÃO INTRÍNSECA 
(SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)
Exercício 1. 
 Qual composto tem a energia gap maior: ZnS ou CdSe
? Cite motivo (s) para sua escolha.
40
CONDUÇÃO INTRÍNSECA 
(SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)
41
É a condução resultante dos movimentos eletrônicos 
nos materiais puros.
CONDUÇÃO EXTRÍNSECA
 Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza 
dopante para proporcionar elétrons ou buracos 
extras.
 Os semicondutores extrínsecos podem ser:
Tipo p: com impurezas que proporcionam buracos 
extras.
Tipo n: com impurezas que proporcionam elétrons 
extras
42
Os processos utilizados para dopagem são difusão e 
implantação iônica
SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P
Quando adiciona-se intencionalmente uma 
impureza dopante para CRIAR buracos 
extras. Elementos tal como o alumínio, boro, gálio e do 
grupo 13 da tabela periódica.
 Impurezas tipo "p" ou aceitadores 
proporcionam buracos extras
Exemplo: Dopagem do Silício (valência 4)
com Boro (valência 3).
Ex.: 1 átomo de Boro em 1012 átomos de Si.
43
SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P
44
BORO É UM DOPANTE 
TIPO P PARA O SILÍCIO
PORQUE PROPORCIONA
BURACOS EXTRA
Uma das ligações 
covalentes é 
deficiente em 
elétron (pode ser 
visto como buraco 
que participa da 
condução carregado 
positivamente). Por 
isso tipo P.
45
SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P
O movimento do buraco é responsável por um campo elétrico. 
46
SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P
NÍVEL DE FERM I
Excitação 
térmica. 
Para este tipo de condução extrínseca, os buracos estão 
presentes em concentrações bem maiores que os elétrons 
(i.e., p >> n)
SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P
NÍVEL DE FERM I
47
SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N
Impurezas tipo "n" ou
doadores.
proporcionam elétrons
extra
 Exemplo: Dopagem do Si
(valência 4) como Fósforo
(valência 5)
48
Apenas 4 dos 5 elétrons de valência destes átomos de impurezas 
podem participar na ligação com o Si, porque há apenas quatro 
possíveis ligações com os átomos vizinhos de Si. O elétron não 
ligante extra é fracamente ligado à região em torno do átomo de 
impureza por uma atração eletrostática fraca. Isso o torna um 
elétron de condução. 
49
SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N
NÍVEL DE FERMI
SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N
NÍVEL DE FERMI
50
51
Para cada um dos elétrons fracamente ligados, existe
um nível de energia único, ou estado de energia, que está
localizado dentro da banda gap, lacuna logo abaixo da parte
inferior da bandade condução.
O energia do elétron livre é ~0,01 eV  muito fácil de
promover o e- para banca de condução.
Nenhum buraco correspondente é criado dentro da banda de
valência.
SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N
NÍVEL DE FERMI
CONDUÇÃO EXTRÍNSECA
  Os elétrons tem maior mobilidade que os
buracos.
  A presença de impurezas pode alterar o tamanho
do gap de energia do semicondutor.
52
Condutividade extrínseca tipo n:
 Em semicondutores extrínsecos (ambos tipo n- e
tipo -p) são produzidos a partir de materiais que são
inicialmente de pureza extremamente elevada 
teores de impurezas totais na ordem de 10-7 em %.
 Concentrações controladas de doadores ou
receptores específicos são adicionados
intencionalmente, utilizando várias técnicas.
 Tal processo de materiais semicondutores é
denominado dopagem.
53
CONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Exemplo 2.
 O metal Zn atuará como um doador ou aceitador, 
quando adicionado ao composto semicondutor GaAs? 
Por quê? (Suponha que Zn é uma impureza de 
substituição.)
 O Ga tem 3 elétrons de valência e o As tem 5 elétrons 
de valência.  O Zn tem dois elétrons de valência.  
Portanto, o Zn atuará como aceitador de elétrons 
(Semicondutor  extrínseco do tipo p). 
54
OPERAÇÃO DO DIODO 
(JUNÇÃO P-N)
 Dispositivos eletrônicos como transistores, circuitos
integrados, chips, etc... usam a combinação de
semicondutores extrínsecos tipo “p” e tipo “n” .
 DIODO  é um dispositivo que permite a corrente fluir
em um sentido e não em outro. É construído juntando um
semicondutor tipo “n” e tipo “p”.
55
JUNÇÃO P‐N
‐Quando uma voltagem é aplicada como no esquema 
abaixo, os dois tipos de cargas se moverão em direção à 
junção onde se recombinarão. A corrente elétrica irá fluir.
‐Como no esquema abaixo, a voltagem causará o 
movimento de cargas para longe da junção. A corrente não 
irá fluir no dispositivo.
a
56
- +
57
Polarização inversa – Junção 
livre de cargas transportadoras
Polarização para junção.
JUNÇÃO P‐N
Exercício 1
 Defina os seguintes termos em que dizem respeito a 
materiais semicondutores: intrínseco, extrínseco, 
composto, elemento. Dê exemplo de cada um.
 Intrínseca ‐ de elevada pureza (não dopadas), 
exemplos: Si, GaAs, CdS, etc .; 
 Extrínseca – Ge dopado com P,  Si dopado com B,  GaP 
dopado com S, etc ; 
 Compostos ‐ GaAs, InP, CdSe, etc .; 
 Elementos‐ Ge e Si.
58
Exercício 2
 Para cada um dos seguintes pares de semicondutores, 
decida qual terá a menor energia da banda, e em seguida, 
citar a razão da sua escolha. 
 (A) ZnS e CdSe;
 (b) Si e C (diamente);
 (c)  Al2O3 e ZnTe;
 (d) InSb e ZnSe;
 (e) GaAs e AlP
59
Resposta Exercício 2
 (a) seleneto de cádmio terá uma energia da banda gap menor que do
sulfeto de zinco. Ambos são compostos II-VI, e Cd e Se ambos estão
mais abaixo no grupo na tabela periódica do que Zn e S. Também a
diferença de eletronegativa entre o Cd e Se é menor que entre o Zn
e S, significando um composto de menor caráter iônico e,
consequentemente, menor banda de energia gap. A passagem de
cima para baixo na tabela periódica, Eg diminui.
 (b) O silício terá uma energia da banda menor do que o diamante , C,
uma vez que o Si está abaixo do C no grupo 14 da tabela periódica.
 (c) ZnTe terá um gap de energia menor que do óxido de alumínio. Há
uma maior disparidade entre os eletronegatividades para o alumínio
e oxigênio [1,5 contra 3,5 do que para o zinco e telúrio (1,6 e 2,1).
Para os compostos binários, quanto maior for a diferença entre as
eletronegatividades dos elementos, o maior será a energia da banda
gap.
60
Resposta Exercício 2
 (d) InSb terá uma energia da banda menor do que seleneto de 
zinco. Estes materiais são os compostos III-V e II-VI, 
respectivamente; Assim, na tabela periódica, In e Sb estão mais 
próximos horizontalmente que Zn e Se. Além disso, ambos In e Sb 
estão abaixo do Zn e Se na tabela periódica.
 (e) O arsenato de gálio terá uma energia da banda menor do que 
fosfito de alumínio. Ambos são compostos III-V, e Ga e As estão 
ambos mais abaixo no grupo na tabela periódica que o Al e P.
61
Exercício 3.
 Em termos de estrutura de banda de energia de elétrons, discutir as razões 
para a diferença de condutividade elétrica entre os metais, semicondutores 
e isolantes.
 Para materiais metálicos, existem estados de energia de elétrons vazios
(banda de condução) adjacentes ao estado mais elevado preenchido
(banda de valência); assim, muito pouca energia é necessária para excitar
um grande número de elétrons para os estados de condução. Como há
muitos elétrons que participam do processo de condução, os metais são
bons condutores elétricos. Não há estados vazios de elétrons adjacente ao
estado acima da banda de valência para semicondutores e isolantes, mas
sim uma banda de energia através da qual os elétrons deve ser excitado, a
fim de participar no processo de condução. A excitação térmica dos
elétrons ocorre, e o número de elétrons excitados será menor do que para os
metais, e vai depender da energia da banda. Para semicondutores, o gap é
mais estreito do que para isolantes; consequentemente, a uma temperatura
específica mais elétrons será excitados por semicondutores, dando origem a
condutividade superior. 62
63
CALLISTER Jr., W. D. - Ciência e Engenharia de Materiais -
Uma Introdução. 7. ed., Rio de Janeiro: LTC, 2008.
VAN VLACK, L. H. Princípios de ciência dos materiais. São 
Paulo: Blucher, 1970.
Referências bibliográficas

Outros materiais

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