2 Materiais Semicondutores

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MATERIAIS SEMICONDUTORES 
4 de agosto de 2016 
Prof. Ms. Gabriel Bachur Cintra 
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Desafio: Que lugar é esse?? 
2 
3 
 Resposta do Desafio 
“Vale do silício” 
Costa oeste dos EUA 
San Francisco - Califórnia 
4 
 Resposta do Desafio 
Silício é o principal material 
usado na fabricação dos 
circuitos integrados (CIs), 
transistores, diodos, 
processadores, etc. 
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 O que vamos estudar hoje 
1. Semicondutores intrínsecos 
2. Lacunas 
3. Dopagem 
4. Semicondutores extrínsecos 
5. Junção PN 
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 1. SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS 
 Semicondutores Intrínsecos 
 O termo intrínseco aplica-se a qualquer material semicondutor 
que tenha sido cuidadosamente refinado para reduzir o número 
de impurezas a um nível muito baixo. 
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Waffer de silício utilizado na fabricação de chips 
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Como surgem as cargas livres 
em um cristal de silício?? 
 Semicondutores Intrínsecos 
 O átomo de silício pertence à família IV-A da tabela periódica e 
possui 4 elétrons na sua camada de valência. 
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Pela regra do octeto, para 
atingir uma estabilidade maior, 
ele deve ter mais 4 elétrons na 
camada de valência 
 Semicondutores Intrínsecos 
 Num cristal de silício puro, os átomos são ligados entre si por 
ligações covalentes a outros 4 átomos de silício adjacentes. 
Assim, é possível inteirar 8 elétrons na camada de valência. 
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Si 
Silício: 4 elétrons 
na camada de 
valência 
 Semicondutores Intrínsecos 
 Em baixas temperaturas, todas as ligações covalentes estão 
completas e praticamente não há elétrons livres 
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 Semicondutores Intrínsecos 
 Contudo, para valores maiores de temperatura (por exemplo, na 
temperatura ambiente) algumas ligações são rompidas pela 
agitação térmica e alguns elétrons são liberados. 
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A ionização térmica 
resulta em números 
iguais de elétrons 
livres e lacunas. 
 Semicondutores Intrínsecos 
As lacunas vão desempenhar um papel fundamental 
na física dos semicondutores. 
Por esta razão, vamos agora estudar melhor quem 
são estas lacunas e porque são tão importantes. 
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 2. LACUNAS 
 Lacunas 
 Chamamos de lacunas o espaço vazio deixado por um elétron em 
uma ligação covalente. 
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 Lacunas 
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As lacunas podem se 
mover ao longo do 
retículo cristalino 
Dois tipos de 
portadores de 
carga: 
 Lacunas 
 A partir de agora, as lacunas serão tratadas como portadores de 
carga positiva (+) com módulo de carga exatamente igual ao dos 
elétrons. 
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Semicondutores 
Positiva 
(Lacunas) 
Negativa 
(Elétrons) 
 Lacunas 
 Os elétrons livres e as lacunas se movem aleatoriamente através 
da estrutura do cristal de silício e, nesse processo, alguns elétrons 
podem preencher algumas lacunas. Este processo é chamado de 
recombinação. 
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Quando um elétron 
recombina com uma 
lacuna ocorre a 
liberação de energia na 
forma de luz 
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 3. DOPAGEM 
 Dopagem 
 Dopagem é o nome dado ao processo de inserção controlada de 
alguns tipos específicos de impureza em um cristal de material 
semicondutor (normalmente o silício). 
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As bolinhas laranjas 
representam os elementos 
dopantes adicionados ao 
cristal de silício 
 Dopagem 
 Os semicondutores submetidos à dopagem são chamados de 
extrínsecos; Já aqueles formados por cristais puros são chamados 
de intrínsecos. 
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Semicondutores 
Intrínsecos Extrínsecos 
Tipo-N Tipo-P 
Sem dopagem Com dopagem 
 Dopagem 
 A dopagem aumenta significativamente o número de portadores 
de carga no material, e por consequência, a sua condutividade. 
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Semicondutor intrínseco Semicondutor extrínseco 
Um elétron livre para 
cada 1012 átomos de Si 
Dopagem: Uma parte 
em 10 milhões (107) 
 Dopagem 
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Intrínsecos Extrínsecos 
Dopagem Não Sim 
Portadores de 
carga 
Quantidades iguais de 
elétrons e lacunas 
Um dos tipos de portador 
(elétron ou lacuna) 
prevalece sobre o outro 
condutividade Menor Maior 
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 4. SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS 
 Semicondutores Extrínsecos 
 Existem dois tipos de materiais semicondutores extrínsecos: 
tipo N e tipo P. A formação de cada um deles depende do 
agente dopante adicionado ao cristal de silício. 
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1) Materiais do 
tipo P 
2) Materiais do 
tipo N 
Excesso de 
lacunas (+) 
Excesso de 
elétrons (-) 
 
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 Para produzir um semicondutor do tipo P, o silício deve ser 
dopado com uma impureza trivalente (3 elétrons na camada de 
valência) como o Boro. 
 Cada átomo de Boro adicionado dá origem a uma lacuna 
(diferentemente da ionização térmica, aqui não se forma um par 
elétron-lacuna). 
 As impurezas adicionadas nos materiais tipo P são chamadas de 
aceitadoras, porque possuem uma lacuna sobrando e “aceitam” 
elétrons para preenche-las. 
Materiais do tipo P 
Semicondutores Extrínsecos 
 tipo P 
28 
 
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 Para produzir um semicondutor do tipo N, o silício deve ser 
dopado com uma impureza pentavalente (5 elétrons na camada 
de valência) como o fósforo. 
 Cada átomo de fósforo adicionado dá origem a um elétron-livre 
(diferentemente da ionização térmica, aqui não se forma um par 
elétron-lacuna). 
 As impurezas adicionadas nos materiais tipo N são chamadas de 
doadoras, porque possuem um elétron sobrando e “doam” esses 
elétrons para o cristal. 
Materiais do tipo N 
Semicondutores Extrínsecos 
 tipo N 
30 
31 
Mas atenção!!! 
Apesar da dopagem, os materiais 
continuam eletricamente neutros!! 
 
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Os elétrons livres 
se equilibram com 
as cargas fixas. 
Material tipo N 
Semicondutores Extrínsecos 
 
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 Outra observação relevante: uma vez que os cristais se encontram 
em temperaturas bem maiores que o zero absoluto, existe a 
formação de pares de elétron-lacuna, igual ocorre com os 
semicondutores intrínsecos. 
Semicondutores Extrínsecos 
Tipo P Tipo N 
Portadores 
Majoritários 
Lacunas Elétrons livres 
Portadores 
Minoritários 
Elétrons livres Lacunas 
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 5. JUNÇÃO PN 
 Junção PN 
 Entender a operação física das junções PN é importante para 
entender a operação e as características elétricas dos transistores 
e diodos. 
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P 
N 
P 
N 
N 
Diodos Transistores 
 Junção PN 
 A junção PN é formada dentro de um mesmo cristal de silício pela 
criação de regiões com “dopagens ” diferentes (regiões P e N) 
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Cristal de 
Silício Puro 
Tipo P 
Tipo N 
Junção PN 
 Junção PN 
 Por difusão, a tendência é que o excesso de elétrons do material 
N se desloque para dentro do material P. Neste processo, os 
elétrons se recombinam com as lacunas, deixando as cargas fixas 
expostas. 
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p n 
Fluxo de 
elétrons 
 Junção PN 
 De maneira análoga, excesso de lacunas do material P se desloca 
para dentro do material N, e se recombina com os elétrons, 
deixando as cargas fixas expostas. 
40 
p n 
Fluxo de 
lacunas 
Fluxo de 
elétrons 
 Junção PN 
 Essa região é chamada de região de depleção. Nesta parte do 
material, a quantidade de portadores de carga é muito pequena. 
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p n 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
- 
- 
- 
- 
- 
- 
Região de depleção 
Cargas fixas ficam 
“expostas” 
 Junção PN 
 A medida que este processo de difusão ocorre, passa a surgir um 
campo elétrico na região da junção PN. O campo elétrico dificulta 
da difusão das cargas de um lado para o outro.42 
p n 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
- 
- 
- 
- 
- 
- 
Campo elétrico 
gerado 
 Junção PN 
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 Quando o processo estabiliza, a configuração que temos é: 
Portadores de 
carga negativa 
Portadores de 
carga positiva 
Região com poucas 
cargas livres (isolante) 
 Resumindo.. 
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 Semicondutores intrínsecos e extrínsecos 
 A temperatura aumenta a quantidade de portadores de carga 
 Materiais do tipo P e tipo N 
 A diferença entre portadores majoritários e minoritários 
 Região de depleção 
 Saiba Mais... 
45 
Bibliografia recomendada: 
Boylestad Sedra