Introdução a Dispositivos Semicondutores UFPE - Aula 1 - Introdução

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INTRODUÇÃO AOS DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES 
(ES232) 
joaquim.ufpe@gmail.com 
 Prof. Joaquim Ferreira Martins Filho 
• Apresentação da disciplina 
• Cap. 1: Materiais para Eletrônica 
Identificação: 
•  Objetivo: 
Introduzir os conceitos e fenômenos físicos necessário 
para o entendimento do funcionamento de dispositivos 
eletrônicos e optoeletrônicos a base de materiais 
semicondutores. 
Conhecer a estrutura interna, os fenômenos físicos 
envolvidos no funcionamento e aplicações de dispositivos 
semicondutores. 
Identificação: 
•  Carga horária: 60 horas 
•  Horário: Quartas e sextas das 10h00 as 12h00 
•  EMENTA: 
Introdução à Física do Estado Sólido 
Modelo Físico de um Semicondutor 
Dispositivos Semicondutores e Aplicações 
•  AVALIAÇÃO: 
Provas (2) 
Testes (4) - Monitor 
... 
Prova Final 
Grupo no Facebook: 
https://www.facebook.com/groups/2016.1.semicon/ 
Identificação: 
Bibliografia 
1. “Materiais e Dispositivos Eletrônicos”, Sergio M. Rezende, 3ª 
Edição, Editora Livraria da Física, São Paulo, 2014, ISBN 
978-85-7861-134-7 (livro texto). 
2. “Solid State Electronic Devices”, Ben G. Streetman, 4 Edição , 
Prentice Hall Series in Solid State Physical Electronics, 1995 
3. “Introduction to Semiconductor Materials and Devices”, M. S. 
Tyagi, Jonh Wiley & Sons, USA 1991 
4. “Semiconductor Devices, Physics and Technology”, S. M. Sze, 
3ª Edição, Jonh Wiley & Sons, New York, USA, 2012 
5. "Eletrônica, Dispositivos e Circuitos", J. Millman e C. C. 
Halkias, McGraw-Hill, São Paulo, 1981 
•  Conteúdo programático 
Elétrons em Cristais 
• Bandas de energia em cristais 
• Condutores, isolantes e semicondutores (nível de Fermi, gap de energia direto e 
indireto, bandas de condução e de valência) 
• Massa efetiva 
• Distribuição de Fermi-Dirac e densidade de estados 
• Mecanismo de corrente elétrica em metais 
Materiais Semicondutores 
• Semicondutores intrínsecos (elétrons e buracos, transições em gap direto e indireto) 
• Semicondutores extrínsecos (dopagem tipo p e n, concentração de portadores em 
equilíbrio) 
• Dinâmica de portadores em semicondutores (geração e recombinação, corrente de 
condução, mobilidade, efeito Hall, corrente de difusão, equação da continuidade de 
carga) 
Junção p-n e Diodos 
• Fabricação de junções p-n (processos de fabricação) 
• Junção em equilíbrio (aproximação de junção abrupta, barreira de potencial, região de 
depleção, carga, campo elétrico, capacitância de junção) 
• Junção polarizada (equação do diodo, característica IxV de diodos) 
• Heterojunções (função trabalho, afinidade eletrônica, junção metal-semicondutor, 
semicondutor-semicondutor, metal-isolante-semicondutor) 
• Modelo de diodo de junção (diodo ideal, diodo real, símbolo do diodo de junção) 
• Aplicações de diodos de junção (circuito retificador de meia onda, detetor de pico) 
• Diodo Schottky (barreira Schottky, contato retificador, contato ôhmico, equação do 
diodo, aplicações) 
• Diodo Zener (ruptura de polarização reversa, efeito Zener, efeito avalanche, símbolo, 
aplicações em reguladores de tensão) 
• Diodo túnel 
•  Conteúdo programático 
Transistores 
• TBJ (estrutura do dispositivo, configuração base comum, correntes do TBJ, parâmetros γ, 
B, α, β, equações de Ebers-Moll, característica IxV de entrada e de saída, impedância de 
entrada e de saída, região ativa, de saturação, de corte e inversa, configuração emissor 
comum, ganho de corrente, efeito Early). 
• Aplicações de TBJ (símbolo, reta de carga, polarização do TBJ, amplificador, chaveador). 
• FET's (tipos de FET's) 
• JFET (estrutura, equações de corrente de dreno, característica IxV, comparação com o 
TBJ) 
• Dispositivos MOS (capacitor e transistor MOS, tensão crítica de inversão) 
• MOSFET (equação de corrente de dreno, característica IxV, canal n e canal p, símbolo) 
• Aplicação de MOSFET (circuito CMOS como inversor lógico). 
• Circuitos integrados (dispositivos discretos e integrados, características gerais, vantagens). 
Dispositivos Optoeletrônicos 
• Propriedades ópticas dos materiais (espectro visível, índice de refração, intensidade 
óptica, potência, coeficiente de absorção, refletividade dos materiais, absorção e emissão 
de luz em isolantes e semicondutores). 
• Fotodetetores (foto-resistores, fotodiodos, estruturas de fotodiodos e fotodiodo PIN, 
fototransistor, fotocorrente, equação de correntes, característica IxV). 
• Células Solares (equação de correntes, característica IxV, potência elétrica, eficiência de 
conversão, FF, estruturas). 
• LED's (luminescência em junção p-n, estrutura típica, encapsulamento, estrutura Burus, 
símbolo, circuito de polarização, aplicações). 
• Lasers (emissão espontânea e estimulada, componentes de um lasers: cavidade óptica, 
meio ativo, mecanismo de bombeamento, amplificação por inversão de população, tipos de 
lasers). 
• Laser de semicondutor (materiais para lasers semicondutores, estrutura de dispositivos, 
característica IxV, LxI, Lxλ). 
Por que estudar semicondutores? 
Travessia transoceânica 
Século XV 
Maquinas a vapor 
Século XIX 
Transistor – grande invenção do séc XX 
Primeiro transistor - Bardeen, Shockley and Brattain 1947 
http://www.youtube.com/watch?v=OyV8qSwGUHU&feature=related 
ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Computer) 1943 
primeiro computador digital eletrônico de grande escala. 
30 toneladas, 5,50 m de altura e 25 m de comprimento, 180 m² de área construída, 18.000 válvulas 
Válvulas termiônicas ou tubos de vácuo 
Grande e Frágil 
O que é semicondutor ? 
O que diferencia os materiais? 
O que determina as propriedades 
elétricas dos materiais? 
Como os sólidos se formam? 
O que é semicondutor ? 
Como os sólidos se formam? 
Ex. Na Cl 
Na (sódio) – Tende a perder 1 elétron para ficar com camada completa 
Cl (Cloro) – Tende a capturar um elétron (Ver tabela periódica) 
Na+ Cl- 
r 
Íons se atraem eletrostaticamente 
Ligação iônica (isolantes) 
Como os sólidos se formam? 
Ligação covalente: 
Elétrons de valência são compartilhados 
Ex: semicondutor de Silício e Germânio, H2 
Como os sólidos se formam? 
Ligação molecular (força de Wan de Waals): 
Interação intermolecular, atração entre dipolos (ligação muito fraca) 
Ex: determina solubilidade entre substancias orgânicas 
Ligação metálica: 
• Mar de elétrons “livres” de ultima 
camada. 
• Mar de elétrons tende a manter os 
núcleos próximos (atração 
eletrostática) 
Materiais Cristalinos 
Rede cristalina Célula unitária 
a, b e c são os parâmetros de rede 
Se a = b = c, a é chamado de constante de rede = 50 nm aprox. 
Material monocristalino 
Material policristalino 
Material amorfo 
Grafeno 
Nanotubo de carbono 
Atividade: 
Leitura do Capítulo 1 do livro texto.