ELT009 - Aula 2 - Teoria dos semicondutores

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Eletrônica Analógica I 
ELT009 
TEORIA DOS SEMICONDUTORES 
Aula 2 
2 ELT009 - Eletrônica Analógica I Aula 2 - Teoria dos semicondutores 
Características elétricas dos materiais 
 Considera-se como característica dos materiais a 
propriedade destes em conduzir a corrente elétrica com 
maior (ou menor) facilidade. 
 Relacionado à sua resistividade: 
 RESISTIVIDADE - CONDUTIVIDADE 
 Sendo assim existem três tipos diferentes de materiais: 
 Condutores; 
 Isolantes; e 
 Semicondutores. 
 
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Características elétricas dos materiais 
 Considera-se como característica dos materiais a 
propriedade destes em conduzir a corrente elétrica com 
maior (ou menor) facilidade. 
 Relacionado à sua resistividade: 
 RESISTIVIDADE - CONDUTIVIDADE 
 Sendo assim existem três tipos diferentes de materiais: 
 Condutores; 
 Isolantes; e 
 Semicondutores. 
 
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Características elétricas dos materiais 
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Material condutor 
• é qualquer material que sustenta um grande fluxo de 
carga ao se aplicar uma fonte de tensão de amplitude 
limitada através de seus terminais. 
 
Material isolante 
• é qualquer material que oferece um nível muito baixo 
de condutividade quando submetido a uma fonte de 
tensão. 
 
Material semicondutor 
• possui um nível de condutividade entre os extremos de 
um isolante e de um condutor. 
 
 
 
Coeficiente de Resistividade 
A I
V+ -
L
Material Classificação Resistividade (r) 
Cobre Condutor 10-6 [W.cm] 
Mica Isolante 1012 [W.cm] 
Silício (Si) Semicondutor 50·103 [W.cm] 
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V = R·I (a condutividade está 
relacionada com a resistência de um 
material) 
resistividade 
O coeficiente térmico da resistividade 
de um semicondutor é negativo (T, ρ ) 
A
L
R


r
OS SEMICONDUTORES 
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Semicondutores 
 Existe uma grande variedade de materiais semicondutores: 
 Silício – Si; 
 Germânio – Ge; 
 Arseneto de Gálio – GaAs, etc. 
 
 
 Caraterística comum: 
 Tetravalentes - Possuem 4 
elétrons na última camada 
 
 
 
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(a) Ge 32e; (b) Si 14e 
Semicondutores 
 
 
 
 
 
 20 a 30% da crosta terrestre; 
 Fácil de fabricar com grande pureza. 
 
 
Este curso será focado no Silício, porém, todos os aspectos qualitativos mencionados 
podem ser estendidos a qualquer outro material semicondutor. 
 
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Qual o material semicondutor mais utilizado 
na fabricação de dispositivos eletrônicos? 
O Silício 
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Núcleo
Átomo Isolado de Si 
Modelo de Bohr 
Órbita de valência 
Mais importante 
DETERMINA AS PROPRIEDADES 
QUÍMICAS E ELÉTRICAS DO 
MATERIAL 
Estrutura é 
eletricamente neutra 
14 e- = 14p 
O átomo de Si é tetravalente (possui 4e- na órbita 
de valência) 
O Silício 
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 Os elétrons da órbita de valência podem ser liberados através do 
fornecimento de energia (por exemplo calor e luz) 
 
 Quanto maior a órbita do elétron maior será sua energia potencial 
(em relação ao núcleo) 
 
 Os átomos tendem buscar a estabilidade 
química completando todos os seus níveis 
de energia. 
 
 No caso do silício, são necessários 
mais 4 elétrons. 
 
 
Núcleo
O Silício 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Núcleo
Ligação
Covalente
Órbita de
Valência
Os quatro elétrons que faltam são conseguidos através do compartilhamento dos 
elétrons da última camada de outros átomo. Este tipo de ligação é conhecida como 
LIGAÇÃO COVALENTE. 
Em um cristal puro os 4 elétrons de 
valência estão ligados a 4 átomos 
O Silício 
 Quando os átomos do Si se combinam para formar um sólido, eles 
são arranjados periodicamente segundo um padrão ordenado 
chamado cristal. 
 
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O cristal de Si tem estrutura de 
diamante tridimensional 
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As impurezas 
 Durante o processo de fabricação, os materiais 
semicondutores são cuidadosamente refinados para se 
obter a redução de impurezas a um nível muito baixo. 
 Esses semicondutores puros são conhecidos como 
MATERIAIS INTRÍNSECOS. 
 A obtenção de semicondutores intrínsecos pode apresentar 
um grau de pureza de 1:1010 
 
1:10.000.000.000 
Uma parte de impureza a cada 10 bilhões de partes!! 
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O silício intrínseco 
 Silício intrínseco 
 O cristal de silício é eletricamente neutro 
 Nenhuma carga foi retirada ou introduzida 
 
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Semicondutores 
 O semicondutores tem suas características elétricas 
modificadas em função da: 
 Dopagem; 
 Temperatura; e 
 Luz (dispositivos especializados – sensores p.ex.); 
 
 Gerando os portadores livres – sensíveis a campos elétricos 
 
 Atualmente, os semicondutores são amplamente utilizados 
para a fabricação dos dispositivos de estado sólido (diodos, 
transistores, etc); 
 
 
 
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NÍVEIS DE ENERGIA 
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Pergunta ? 
 
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Como um material semicondutor pode se 
comportar como isolante e condutor? 
Níveis de energia 
 A energia total de um elétron pode ser identificada pela 
camada na qual ele orbita. 
 
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Núcleo 
Cada raio possui um nível 
de energia equivalente 
Níveis de energia 
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Os elétrons apresentam níveis discretos de energia ocupando somente 
órbitas bem definidas em relação ao núcleo, existindo um “gap” (região 
proibida) entre as órbitas 
A energia ΔE para o elétron ir 
da órbita inferior para a órbita 
superior deve ser maior ou 
igual ao GAPA energia ΔE fornecida pode 
ser na forma de calor ou luz 
Para voltar a órbita anterior, o 
elétron deve liberar a energia 
ΔE armazenada (liberação na 
forma de calor ou luz) 
Níveis de energia para os semicondutores 
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 O calor (energia térmica ≥ GAP à ≈ 
25ºC = temperatura ambiente) 
rompe algumas ligações covalentes 
gerando portadores livres. 
 
 Os elétrons adquirem energia 
suficiente para sair da banda de 
valência, atravessar o GAP de 
energia e entrar na banda de 
condução (para o silício intrínseco ≈ 
1,5·1010 portadores/cm3); 
Níveis de energia para os semicondutores 
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 No espaço deixado pelo elétron 
surge uma LACUNA; 
 
 
 
 
 
 
 
 
Quanto menor Eg maior o número de 
portadores livres. 
LIVRE 
O termo “livre” revela que o movimento 
do elétron é bastante sensível a campos 
elétricos aplicados como os 
estabelecidos pelas fontes de tensão ou 
qualquer diferença de potencial. 
Níveis de energia para os semicondutores 
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 Temperatura de 0 K Acima de 0 K Recombinação 
Geração térmica de pares elétron-lacuna 
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 O reestabelecimento da ligação 
covalente (elétron “encontra” a 
lacuna) recebe o nome de 
recombinação 
 Elétron deve perder energia (calor ou luz); 
 
 
 Para uma temperatura ambiente 
constate existe um equilíbrio 
 Geração de pares elétrons-lacunas é igual 
a quantidade de recombinações 
 
 
 
Pergunta é? 
 
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Como um material semicondutor pode se 
comportar como isolante e condutor? 
Desfazer o equilíbrio entre a geração 
de pares elétrons-lacunas e a 
quantidade de recombinações 
Como? 
Níveis de energia para os materiais 
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Isolante Condutor Semicondutor 
DOPAGENS E MATERIAIS 
EXTRÍNSECOS 
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Materiais Extrínsecos do tipo N e P 
 As características dos materiais semicondutores podem ser 
consideravelmente alteradas pela adição de determinados átomos de 
impurezas no material semicondutor puro; 
 Um material semicondutor submetido ao processo de dopagem é 
chamado de material extrínseco; 
 Dopagem é a inserção de impurezas no material de forma 
controlada; 
 Há dois materiais extrínsecos imprescindíveis para a fabricação de um 
dispositivo semicondutor: 
 Material do tipo N 
 Material do tipo P 
 
 
 
 
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Material Tipo N 
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Material Tipo N 
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O material do tipo n é criado com a 
introdução dos elementos de 
impureza que tem cinco elétrons 
de valência (pentavalente) como 
antimônio, arsênio e fósforo; 
As impurezas difundidas com 
cinco elétrons de valência são 
chamados de átomos doadores; 
As ligações covalentes ainda estão 
presentes e o quinto elétron está 
relativamente livre para se mover. 
Material Tipo N 
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A dopagem “acrescenta” um nível 
discreto de energia (chamado nível 
doador) na banda proibida com um 
Eg bem menor do que o material 
intrínseco. 
O aumento da concentração de elétrons 
na banda de condução aumenta a 
condutividade do material 
Elétrons “livres” devido à impureza 
adicionada se estabelecem nesse 
nível de energia e têm menos 
dificuldade para absorver uma 
quantidade suficiente de energia 
térmica para mover-se em direção a 
banda de condução à temperatura 
ambiente. 
Banda de Condução
Banda de Valência
0,05 [eV]
1,1 [eV]
Nível de Energia dos Doadores
Geração Térmica - Pares Elétron-Lacuna
Material Tipo N 
Banda de Condução
Banda de Valência
0,05 [eV]
1,1 [eV]
Nível de Energia dos Doadores
Geração Térmica - Pares Elétron-Lacuna
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A maioria dos elétrons na banda de 
condução surgiu como consequência da 
dopagem. As lacunas na banda de 
valência foram produzidas pelo 
processo de geração térmica. 
Material Tipo P 
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Material Tipo P 
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O material do tipo p é criado com a 
introdução dos elementos de 
impureza que tem três elétrons de 
valência como boro, gálio e índio; 
As impurezas difundidas com três 
elétrons de valência são 
chamados de átomos aceitadores 
Há um número insuficiente de 
elétrons para completar as ligações 
covalentes. A lacuna resultante 
aceitará rapidamente um elétron 
“livre”. 
Material Tipo P 
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A dopagem “acrescenta” um nível 
discreto de energia (chamado nível 
aceitador) na banda proibida com 
um Eg bem menor do que o material 
intrínseco. 
Banda de Condução
Banda de Valência
0,05 [eV]
1,1 [eV] Nível de Energia dos Aceitadores
Geração Térmica - Pares Elétron-Lacuna
Material Tipo P 
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A maioria das lacunas na banda de 
valência surgiu como consequência da 
dopagem. Os elétrons na banda de 
condução foram produzidas pelo 
processo de geração térmica. 
Banda de Condução
Banda de Valência
0,05 [eV]
1,1 [eV] Nível de Energia dos Aceitadores
Geração Térmica - Pares Elétron-Lacuna
 
Fluxo de Elétrons versus Lacuna 
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O movimento da lacuna é no sentido contrário ao do elétron. Sendo 
assim, ela pode ser modelada como um portador de carga positiva. 
Material do Tipo N 
 
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Os elétrons estão em maioria e são ditos portadores majoritários. 
 
As lacunas estão em minoria e são chamadas de portadores 
minoritários. 
 
Quando o quinto eletron deixa o átomo de origem, o átomo adquire uma 
carga positiva (íons doadores) 
Material do Tipo P 
 
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Os elétrons estão em minoria e são ditos portadores minoritários. 
 
As lacunas estão em maioria e são chamadas de portadores 
majoritários. 
 
Quando a lacuna deixa o átomo de origem,o átomo adquire uma carga 
negativa (íons aceitadores) 
 
 
Material P x Material N 
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 A mobilidade dos elétrons livres na banda de condução é de 2 a 3 vezes 
maior do que na banda de valência 
 
 No material do tipo P – muitos elétrons na banda de condução 
 
 No material do tipo N – muitas lacunas na banda de valência 
 
 Desse modo a mobilidade das lacunas é inferior à mobilidade dos elétrons. 
Conclusão 
 
 Material do Tipo N 
 Mais próximo de um condutor 
 Material do Tipo P 
 Mais próximo de um isolante 
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