1_semicondutores

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Introdução aos Semicondutores
Leonardo B. Zoccal
(lbzoccal@unifei.edu.br)
ELT055 – Eletrônica Analógica I - *
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
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Bibliografia – ELT055
Dispositivos Eletrônicos e teoria de circuitos
Boylestad, Robert L. e Nashelsky, Louis 8ª edição
Eletrônica – Volume 1
Albert Paul Malvino 4ª edição
Microeletrônica
Sedra e Smith 4ª edição
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Avaliação – ELT055
19/04/2013 – P1 (100%)
08/07/2013 - Exame
28/06/2013 – P2 (60%) e Trabalho (40%)
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Introdução aos Semicondutores
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Introdução aos Semicondutores
Tecnologia atual de fabricação de dispositivos discretos e circuitos integrados concentra-se nos materiais:
Condutores;
Isolantes;
Semicondutores.
Considera-se a propriedade destes materiais em conduzir a corrente elétrica com maior (ou menor) facilidade.
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Introdução aos Semicondutores
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.
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Introdução aos Semicondutores
V = R·I (a condutividade está relacionada com a resistência de um material)
O coeficiente térmico da resistividade de um semicondutor é negativo (T, ρ )
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Introdução aos Semicondutores
Atualmente, os semicondutores são amplamente utilizados para a fabricação dos dispositivos de estado sólido (diodos, transistores, etc);
Fabricação com alto grau de pureza;
Modificação das características elétricas em função da: dopagem, temperatura e da luz (dispositivos especializados – sensores p.ex.).
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Introdução aos Semicondutores
Existe uma grande variedade de materiais semicondutores além do Silício (Germânio – Ge, Arseneto de Gálio – GaAs, etc.);
Silício  20 a 30% da crosta terrestre;
Este curso será focado no Silício, porém, todos os aspectos qualitativos mencionados podem ser estendidos a qualquer outro material semicondutor.
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Introdução aos Semicondutores
O cristal de Si tem estrutura de diamante tridimensional
Representação planar do átomo de Si é mais simples
Quando os átomos do Si se combinam para formar um sólido, eles são arranjados segundo um padrão ordenado chamado cristal
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Introdução aos Semicondutores
Átomo Isolado de Si 
Modelo de Bohr
A última órbita (chamada de órbita de valência) é a 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)
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Introdução aos Semicondutores
Os átomos 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.
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Introdução aos Semicondutores
Os quatro elétrons que faltam são conseguidos através do compartilhamento dos elétrons da última camada. Este tipo de ligação é conhecida como LIGAÇÃO COVALENTE.
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Introdução aos Semicondutores
Durante o processo de fabricação, os semicondutores são cuidadosamente refinados para se obter a redução de impurezas a um nível muito baixo. Esses semicondutores puros são conhecidos como MATERIAIS INTRINSECOS. A obtenção de semicondutores intrínsecos pode apresentar um grau de pureza de 1:1010
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Introdução aos Semicondutores
O cristal de Silício é eletricamente neutro (nenhuma carga foi retirada ou introduzida)
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Introdução aos Semicondutores
A energia total de um elétron pode ser identificada pelas dimensões de sua órbita
Cada raio possui um equivalente ao nível de energia
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Introdução aos Semicondutores
Níveis de Energia
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 GAP
A 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)
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Introdução aos Semicondutores
Níveis de Energia
Conforme os átomos são reunidos para formar a rede cristalina, os elétrons de uma órbita particular podem apresentar níveis de energia ligeiramente distintos dos elétrons na mesma órbita de um átomo adjacente
Com isso ocorre a expansão dos níveis discretos dos estados de energia possíveis para os elétrons de valência para aquelas bandas
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Introdução aos Semicondutores
Níveis de Energia
A energia associada a cada elétron é medida em elétron-volts (eV)
1 eV = 1,6·10-19 J (W = Q·V)
Isolante
Condutor
Semicondutor
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Introdução aos Semicondutores
Níveis de Energia
O calor (energia térmica ≥ GAP à ≈ 25oC = temperatura ambiente) rompe algumas ligações covalentes gerando portadores livres. Os elétrons passam da banda de valência para a banda de condução (para o silício intrínseco ≈ 1,5·1010 portadores/cm3);
No espaço deixado pelo elétron surge uma lacuna;
Quanto menor Eg maior o número de portadores livres
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Introdução aos Semicondutores
Níveis de Energia
O par elétron-lacuna gerado pela energia térmica recebe o nome de geração térmica de pares elétron-lacuna;
O reestabelecimento da ligação covalente (elétron “encontra” a lacuna) recebe o nome de recombinação e o elétron deve perder energia (calor ou luz);
Para uma temperatura ambiente constate a geração térmica de pares elétrons-lacunas e recombinação tem-se uma situação de equilíbrio.
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Introdução aos Semicondutores
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 relativamente 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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Introdução aos Semicondutores
Materiais Extrínsecos do tipo N e P
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;
MATERIAL TIPO N
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.
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Introdução aos Semicondutores
Materiais Extrínsecos do tipo N e P
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
MATERIAL TIPO N
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.
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Introdução aos Semicondutores
Materiais Extrínsecos do tipo N e P
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 N
Os elétrons estão em maioria e são ditos portadores majoritários.
As lacunas estão em minoria e são chamadas de portadores minoritários.
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Introdução aos Semicondutores
Materiais Extrínsecos do tipo N e P
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;
MATERIAL TIPO P
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”.
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Introdução aos Semicondutores
Materiais Extrínsecos do tipo N e P
A dopagem “acrescenta” um nível discreto de energia (chamado nível aceitador) na banda proibida com um Eg bem menor do que o material intrínseco.
MATERIAL TIPO P
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Introdução aos Semicondutores
Materiais Extrínsecos do tipo N e P
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.
MATERIAL TIPO P
Os elétrons estão em minoria e são ditos portadores minoritários.
As lacunas estão em maioria e são chamadas de portadores majoritários.
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Introdução aos Semicondutores
Um semicondutor dopado possui 10 bilhões de átomos de silício e 15 milhões de átomos pentavalentes. Se a temperatura ambiente for de 25oC, quantos elétrons livres e lacunas existem dentro do semicondutor?
	Cada átomo pentavalente contribui com um elétron livre. Portanto, o semicondutor tem 15 milhões de elétrons livres produzidos pela dopagem.
	Não devem existir muitas lacunas em relação aos elétrons livres (há somente aquelas produzidas pela energia térmica).
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Introdução aos Semicondutores
Em um semicondutor intrínseco, a densidade de elétrons, n, é igual à densidade de lacunas, p.
n e p representam, respectivamente, as densidades de elétrons e de lacunas no semicondutor extrínseco.
Em um material dopado 
A quantidade ni, representa as densidades no semicondutor intrínseco e, portanto, independe do grau de dopagem.
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Introdução aos Semicondutores
Uma amostra de silício cristalino é dopada, de modo uniforme, com átomos de fósforo (pentavalente). A densidade de dopagem é 1016 átomos/cm3. Determine as densidades de elétrons e de lacunas nesse material à temperatura ambiente. Considere ni = 1,08∙1010 elétrons/cm3.
n = 1016 elétrons/cm3
p = 1,17∙104 lacunas/cm3
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Introdução aos Semicondutores
Materiais Extrínsecos do tipo N e P
Fluxo de elétrons e lacunas
O movimento da lacuna é no sentido contrário ao do elétron. Sendo assim, ela pode ser modelada como um portador de carga positiva.
A banda de valência está mais saturada (“cheia”) que a banda de condução. Desse modo a mobilidade das lacunas é inferior à mobilidade dos elétrons.
A mobilidade dos elétrons livres na banda de condução é de 2 a 3 vezes maior
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Introdução aos Semicondutores
Transporte de Portadores
Deriva
Na presença de uma diferença de potencial (campo elétrico) existe a aceleração dos portadores de carga no material forçando alguns a fluírem de um lado ao outro. O movimento de portadores de carga devido a um campo elétrico é chamado “deriva” (drift).
A aceleração devida ao campo e a colisão com o cristal têm ações opostas, o que resulta em uma velocidade constante para os portadores
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Introdução aos Semicondutores
Transporte de Portadores
Deriva
µ é a mobilidade - cm2/(V∙s)
Para o Silício:
µn = 1350 cm2/(V∙s) (mobilidade dos elétrons)
µp = 480 cm2/(V∙s) (mobilidade das lacunas)
Elétrons se movem em direção oposta ao campo elétrico
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Introdução aos Semicondutores
Transporte de Portadores
Deriva
Tensão V1 aplicada a uma barra de semicondutor uniforme , cuja densidade de elétrons livres é n [átomos/m3]
A carga total transportada na seção W/h será:
 -W∙h∙n∙q (onde q = 1,6∙10-19 C) [C/m]
A distância x será percorrida com uma velocidade v em ∆t (t1 – t) segundos
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Introdução aos Semicondutores
Transporte de Portadores
Deriva
A variação total de carga através da distância x será:
∆Q = -W∙h∙n∙q∙v∙∆t [C]
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Introdução aos Semicondutores
Transporte de Portadores
Deriva
Jn denota a densidade de corrente, ou seja, a corrente que flui por uma seção reta de área unitária.
A corrente (densidade de corrente) é igual à velocidade da carga multiplicada pela densidade da carga
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Introdução aos Semicondutores
Transporte de Portadores
Deriva
Esta equação fornece a corrente de deriva em resposta a um campo elétrico E em um semicondutor com densidades uniformes de elétrons e de lacunas
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Introdução aos Semicondutores
Transporte de Portadores
Difusão
Quando portadores de carga são injetados em um semicondutor (criar uma densidade não uniforme) ocorre um fluxo de cargas da região de maior concentração para a região de menor concentração
Mesmo na ausência de um campo elétrico, os portadores se movem em direção às regiões de baixa concentração (transportam uma corrente elétrica enquanto a não uniformidade é mantida). 
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Introdução aos Semicondutores
Transporte de Portadores
Difusão
Quanto mais não uniforme for a concentração de portadores, maior será a corrente
n denota a concentração de portadores em um dado ponto ao longo do eixo x.
dn/dx é o gradiente da concentração em relação a x.
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Introdução aos Semicondutores
Transporte de Portadores
Difusão
Para cada portador de carga q em um semicondutor com seção reta de área A
Dn é um fator de proporcionalidade chamado constante de difusão e expresso em cm2/s
Para o silício intrínseco
 Dn = 34 cm2/s (elétrons)
Dp = 12 cm2/s (lacunas)
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Introdução aos Semicondutores
Transporte de Portadores
Difusão
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Introdução aos Semicondutores
Transporte de Portadores
Relação de Einstein
A mobilidade de um portador, µn (ou µp), se relaciona com a constante de difusão, Dn (ou Dp), da seguinte forma:
kT/q ≈ 26 mV em T = 300 K
k – Constante de Boltzmann
q – Carga do elétron
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Introdução aos Semicondutores
Exemplo de Processo de fabricação de uma lâmina de Silício
Geração de pares Elétrons-Lacunas e mobilidade 
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