Aula_02_Semicondutores

Prévia do material em texto

Aula 02
Semicondutores
Agenda
• Condutividade elétrica
• Elementos semicondutores
• Semicondutores intrínsecos
• Dopagem: semicondutores extrínsecos
• Semicondutores tipo N e tipo P
• Diagramas de bandas de energia
• Junção PN
Condutividade elétrica
Cobre
Ferro
Mercúrio
Germânio
Germânio
dopado
Silício
Polietileno
Poliestireno
10
8
10
6
10
4
10
0
10
-2
10
-4
10
-6
10
-8
10
-10
10
-12
10
-14
10
-16
Material
Condutividade
elétrica (S/m)
10
2
Alumina, Vidro
Concreto
Diamante
Grafita
10
-18
Sílica
Condutores
Semicondutores
Isolantes
Metais
(ligação metálica)
Semimetais
Polímeros
Cerâmicas
(ligação covalente)
Polímeros
Cerâmicas
(ligações covalente
e iônica)
Elementos semicondutores
Configuração Eletrônica
Camadas Eletrônicas do Si
Ligação Química Covalente
Excitação Térmica
Propriedades eletrônicas de semicondutores 
intrínsecos
Camadas Eletrônicas do B
Ligação Química Covalente
Configuração eletrônica de elementos do 
grupo 13 (IIIA)
Propriedades de Metais
Camadas Eletrônicas do As
Ligação Química Covalente
Bandas de Energia
3s
3p
3s
3p
3s
3p
"Gap"
Nível eletrônico
para um átomo
Níveis eletrônicos
para cinco átomos
Níveis eletrônicos formando
faixas quase contínuas de
energia para um número
muito grande de átomos
Bandas de Energia
Bandas de energia para o diamante versus constante da rede 
Bandas de Energia
Diagrama de bandas de energia
Diagrama de bandas de energia
Bandas de Energia de Semicondutores
Germânio Silício GaAs
Bandas de Energia de Semicondutores
Bandas de Energia
Energias do gap da banda proibida a 300 K para alguns 
materiais semicondutores importantes.
Cristal EG (eV)
Ge 0,66
Si 1,12
GaAs 1,43
InSb 0,18
InP 1,29
Bandas de Energia de Semicondutores
Relação empírica entre Eg e temperatura:
Efeito Hall
H
V
i
i
B
+
-
Desvio dos
buracos
Desvio dos
elétrons livres
L

x
y
z
+
+
+
-
-
-
-
-
+
Efeito Hall
Resistência Hall
Tensão Hall
EY: campo elétrico transversal
A: área de seção transversal
i: corrente
B: densidade de fluxo magnético
: espessura
Mobilidade Hall:
Elétrons negativos
orbitam o núcleo.
Possui 29 prótons.
Possui 29 elétrons.
Sua carga = 0.
Elétron de valência
O elétron de valência é uma característica importante.
Elétron de valência
O elétron de valência
O núcleo mais a órbita interna do elétron
Um modelo simples de átomo de cobre tem esta aparência:
O fio de cobre é usado para conduzir eletricidade porque os elétrons de 
valência movem-se livremente pela sua estrutura.
Lembre-se que a atração dos elétrons em relação ao núcleo é fraca.
Sabemos que a valência de elétron único do cobre faz dele um bom condutor.
Ele age como um isolante elétrico .
A regra de oito mostra que um material como este poderia ser estável desde
que sua órbita de valência esteja cheia.
Sem espaçamento
Quiz sobre átomos
▪ A parte densa e central de qualquer átomo é chamada de ________.núcleo
▪ A carga do átomo é 0 já que o número de prótons é igual ao número de 
________.elétrons
▪ A órbita mais ao exterior de todos os átomos é chamada de órbita de 
________ valência
▪ Bons condutores elétricos ________ de valência livres.elétrons
▪ O número "mágico" para a estabilidade de valência é ________.oito
Átomos do mesmo tipo podem se juntar e formar ligações covalentes.
Este é um processo de troca entre elétrons.
Átomos de silício possuem quatro elétrons de valência.
A troca covalente satisfaz a regra de oito.
Nesta estrutura, uma ligação é formada com cada vizinho.
Este é um cristal de silício.
Ele não conduz porque elétrons de valência são capturados
por ligações covalentes.
Portadores
térmicos
Ligações covalente podem ser quebradas ao se aquecer um cristal de silício.
Elétron livre
Lacuna
Aquecer cristais de silício para que eles possam conduzir não é prático!
Um cristal de silício pode ser dopado com uma impureza doadora.
1
2 3
4
5
Cada átomo doador que entra no cristal adiciona um elétron livre.
Elétron livre
O silício que tenha sido dopado com arsênico é chamado de tipo N.
Os elétrons em silício de tipo N suportam o fluxo da corrente.
Isto é um átomo de boro.
Um cristal de silício pode ser dopado com uma impureza aceitadora.
1
2 3
Cada átomo aceitador que entra no cristal cria um buraco.
Lacuna
O silício que tiver sido dopado com boro é chamado de tipo P.
As lacunas em um silício de tipo P suportam o fluxo da corrente.
Quais são dois métodos práticos de 
se fazer silício semicondutor?
LacunaElétron livre
Adicione uma impureza
pentavalente.
Adicione uma impureza
trivalente.
(Tipo N) (Tipo P)
Este é um cristal tipo P.
Devido ao calor, pode possuir alguns elétrons livres.
Estes são chamados portadores minoritários.
Este é um cristal tipo N.
Devido ao calor, pode possuir algumas lacunas.
Estes são chamados portadores minoritários.
O silício é o principal material da indústria de semicondutores,
mas compostos semicondutores contribuem em áreas específicas.
▪ Arseneto de gálio (GaAs)
▪ Nitreto de gálio (GaN)
▪ Fosfeto de índio (InP)
▪ Telureto de cádmio (CdTe)
▪ Carbeto de silício (SiC)
▪ Sulfeto de cádmio (CdS)
Esta tela de Kodak usa diodos emissores de luz orgânicos.
Quiz sobre semicondutores
▪ Um cristal de silício puro, a temperatura ambiente, age como um ________ 
elétrico. 
isolante
▪ Os portadores de corrente, em silício de tipo N, são chamados ________.elétrons
▪ Os portadores de corrente, em silício de tipo P, são chamados ________.buracos
▪ Os portadores minoritários, em silício de tipo N, são chamados ________.buracos
▪ Os portadores minoritários, em silício de tipo P, são chamados ________.elétrons
Revisão
▪ Condutores e isolantes
▪ Semicondutores
▪ Semicondutores tipo N
▪ Semicondutores tipo P
▪ Portadores majoritários e 
▪ minoritários