2 - Materiais semicondutores intrínsecos e extrínsecos

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1. MATERIAIS SEMICONDUTORES
ELEMENTOS DE ELETRÔNICA Prof. José Rodrigo
1. INTRODUÇÃO
• Os diferentes materiais podem ser caracterizados, de forma ampla,
como condutores, semicondutores e isolantes, de acordo com a
sua maior ou menor resistência à passagem da corrente elétrica.
• Valores de resistividade:
• Condutores: 10-5 a 10-8 Ωm;
• Isolantes: 1010 a 1016 Ωm;
• Semicondutores: 10-6 a 105 Ωm, dependendo do tipo de material e
da temperatura.
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2. CONDUTORES
• Átomos: prótons (carga positiva), nêutrons e elétrons (carga negativa);
• Cobre - estrutura atômica: 29 prótons, 29 elétrons e 34 nêutrons.
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2. CONDUTORES
• Na eletrônica, tudo o que importa é a órbita mais externa, também
chamada de órbita de valência;
• Ela controla as propriedades do átomo.
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2. CONDUTORES
• Elétron livre: como a atração entre o núcleo e o elétron de valência é
muito fraca, uma força externa pode deslocar facilmente este elétron
do átomo de cobre.
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2. CONDUTORES
• O menor valor de tensão pode fazer com que os elétrons livres se
desloquem de um átomo para o outro mais próximo;
• Melhores condutores são: a prata, o cobre e o ouro;
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3. SEMICONDUTORES
• Melhores condutores (ouro, prata e cobre): 1 elétron de valência;
• Isolantes : 8 elétrons de valência;
• Apresentam características de isolantes e condutores, dependendo da
forma como se apresenta a sua estrutura química;
• São constituídos de átomos tetravalentes, ou seja, possuem 4
elétrons na última camada.
• Silício e germânio são exemplos de materiais semicondutores;
• Os átomos tetravalentes tendem a se agruparem segundo uma forma
cristalina;
• Um material com essa formação atômica é altamente estável e por
isso isolante.
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3.1 GERMÂNIO (Ge)
• Tem quatro elétrons na órbita de valência;
• Por muitos anos era o único material disponível para a fabricação de
dispositivos semicondutores;
• Possui uma falha fatal: corrente reversa excessiva;
• Outro semicondutor chamado de silício tornou-se mais utilizado e fez
o germânio tornar-se obsoleto.
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3.2 SILÍCIO (Si)
• É um elemento abundante na natureza;
• É a melhor escolha para a fabricação de semicondutores;
• Sem ele, a eletrônica moderna, as comunicações e os computadores
seriam impossíveis.
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3.3 CRISTAIS DE SILÍCIO
• A combinação dos átomos de silício para formar um sólido num padrão
ordenado chamado de cristal;
• Cada átomo de silício compartilha seus elétrons com quatro vizinhos
de tal modo que passam a existir 8 elétrons na órbita de valência;
• Ligações covalentes.
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3.3 CRISTAIS DE SILÍCIO
• Saturação de valência: 8 elétrons na sua órbita de valência;
• Produz estabilidade química que resulta num corpo sólido de material
de silício;
• Os 8 elétrons de valência são chamados de elétrons de ligação porque
são fortemente atraídos pelos átomos;
• O cristal de silício é um isolante quase perfeito na temperatura
ambiente, 25 ºC, aproximadamente.
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3.3 CRISTAIS DE SILÍCIO
• Lacunas;
• Através da agitação no cristal de silício, em razão da temperatura
ambiente, há vibrações no cristal de silício, onde podem deslocar um
elétron da órbita de valência;
• Quando isso acontece o elétron liberado ganha energia suficiente para
mudar para outra órbita mais externa;
• Nessa órbita o elétron torna-se um elétron livre.
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3.3 CRISTAIS DE SILÍCIO
• A saída do elétron cria um vazio, chamado de lacuna;
• A lacuna comporta-se como uma carga positiva (íon positivo);
• A lacuna vai atrair e capturar outro elétron imediatamente mais próximo;
• A existência de lacunas é a diferença entre condutores e
semicondutores;
• Em temperatura ambiente, a energia térmica produz apenas alguns
elétrons livres.
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3.3 CRISTAIS DE SILÍCIO
• Para aumentar o nº de elétrons livres e lacunas, é preciso fazer um
processo de dopagem do cristal;
• A energia térmica (calor) cria um nº igual de elétrons livres e lacunas;
• Os elétrons livres possuem movimento aleatório dentro do cristal;
• Ocasionalmente, um elétron livre se aproxima de uma lacuna e “cai”.
• A recombinação é o desaparecimento de um elétron livre e uma lacuna;
• O tempo entre a criação e o desaparecimento de um elétron livre é
chamado de tempo de vida;
• Varia de alguns nanossegundos até vários microssegundos.
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4. SEMICONDUTORES 
INTRÍNSECOS
• É um semicondutor puro;
• O cristal de silício é um semicondutor intrínseco se cada átomo do
cristal for um átomo de silício;
• Age como isolante, pois tem apenas alguns elétrons livres e lacunas
produzidas pela energia térmica;
• Fluxo de elétrons livres e lacunas. Fluxos opostos.
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5. DOPAGEM DE UM 
SEMICONDUTOR
• É um processo químico, realizado em laboratório, que tem a finalidade
de colocar no interior da estrutura cristalina uma quantidade de
impurezas para que os cristais semicondutores possam ter uma certa
condutibilidade elétrica;
• O semicondutor dopado é chamado de semicondutor extrínseco.
• Aumentando os elétrons livres: através da adição de átomos
pentavalentes (ex: arsênico, antimônio e o fosforo) ao silício fundido.
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5. DOPAGEM DE UM 
SEMICONDUTOR
• Aumentando o número de lacunas: através da adição de átomos
trivalentes (ex: alumínio, boro e o gálio) ao silício fundido.
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6. DOIS TIPOS DE 
SEMICONDUTORES 
EXTRÍNSECOS
• Semicondutor tipo N (negativo):
✓ Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina átomos
pentavalentes (5 elétrons), uma nova estrutura é formada, chamada de
material semicondutor tipo N;
✓ Dos cinco elétrons da última camada, apenas quatro encontrarão um par
para a formação de ligações covalentes. O quinto elétron pode-se liberar
facilmente, tornando-se um portador livre de cargas elétricas;
✓ A quantidade de prótons e elétrons permanece a mesma, assim o
material é eletricamente neutro;
✓ No material semicondutor tipo N os portadores de cargas elétricas são
elétrons livres;
✓ O cristal tipo N conduz corrente elétrica independente da polaridade da
bateria.
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6. DOIS TIPOS DE 
SEMICONDUTORES 
EXTRÍNSECOS
• Semicondutor tipo P (positivo):
✓ Quando o processo de dopagem se faz com átomos trivalentes (3 elétrons),
uma nova estrutura é formada, chamada de material semicondutor tipo P;
✓ Neste tipo de átomo verifica-se a falta de um elétron para que os átomos
tetravalentes se combinem. Essa falta de elétrons chama-se lacuna.
✓ A quantidade de prótons e elétrons permanecem a mesma, assim o material é
eletricamente neutro;
✓ A condução da corrente elétrica nos semicondutores tipo P se dá pela
movimentação das lacunas;
✓ No material semicondutor tipo P os portadores de cargas elétricas são as
lacunas;
✓ O cristal tipo P conduz corrente elétrica independente da polaridade da bateria;
✓ Os materiais semicondutores tipo N e P constituem a matéria prima para a
fabricação de componentes eletrônicos, tais como diodos, transistores e circuitos
integrados.
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7. JUNÇÃO PN
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• É a junção de um material semicondutor tipo N com um material tipo P;
• É a estrutura básica de muitos componentes semicondutores como o
diodo;
• Após a junção dos materiais, ocorre um processo de recombinação na
região da junção. Os elétrons da região N tendem a se difundirem para
a região P;
• Forma-se então, na junção, uma região onde não existem portadores
de carga, chamada de região de depleção;
7. JUNÇÃO PN
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7. JUNÇÃO PN
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• Devido ao desequilíbrio de cargas elétricas, na região de depleção,
surge então uma ddp (diferença de potencial) nesta região, chamada de
barreira de potencial;
• No silício a tensão é de 0,7 V e no germânio é de 0,3 V;
• Acrescendo terminais de ligação aos cristais N e P, forma-se então um
diodo retificador;
• Anodo (cristal P) e cátodo (cristal N);
8. POLARIZAÇÃO DIRETA
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• Quando um potencial positivo é aplicado no ânodo, em relação ao
cátodo;
• O polo negativo da bateria faz com que os elétrons livres do cristal N
sejam repelidos em direção à região da junção;
• A tensão aplicada nos terminais do diodo deverá ser superior ao valor da
barreira de potencial, para que os elétrons livres adquirem velocidade
suficiente para atravessar a região de depleção;
• A partir daí, os elétrons se recombinam nas lacunas do material P, por
sua vez são atraídos pelo polo positivo da fonte;
• O diodo em condução funciona como se fosse uma chave fechada;
9. POLARIZAÇÃO REVERSA
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• Quando um potencial positivo é aplicado no catodo, em relação ao
ânodo;
• Os portadores livres de cada material semicondutor são atraídos pelos
polos da fonte;
• A região de depleção aumenta, impedindo o fluxo da corrente elétrica;
• O diodo fica em bloqueio;
• Circula apenas uma pequena corrente, que chamamos de corrente de
fuga.
9. POLARIZAÇÃO REVERSA
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• Corrente de Portadores Minoritários: é chamada de corrente de
saturação (Is), é a corrente reversa causada termicamente pelos
portadores minoritários;
• Corrente de Fuga de Superfície: é causada pelas impurezas da
superfície e imperfeições na estrutura do cristal.
10. RUPTURA
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• Os diodos têm um valor de tensão máxima nominal;
• Existe um limite de tensão que podemos aplicar num diodo
reversamente polarizado sem que ele se danifique;
• Se continuarmos a aumentar a tensão reversa atingiremos a tensão
de ruptura do diodo;
• A tensão de ruptura é de até 50 Volts;
• Atingida a tensão de ruptura, uma grande quantidade de portadores
minoritários aparece de repente na camada de depleção e o diodo
conduz intensamente;
• A tensão de ruptura depende do nível de dopagem do diodo;
• Nos diodos retificadores a tensão de ruptura é maior que 50 Volts.
11. LIMITAÇÕES TÉRMICAS
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• Na polarização direta: a temperatura de junção é a temperatura do
diodo na junção pn;
• Quando o diodo está conduzindo a temperatura de junção é mais alta
que a temperatura ambiente por causa do calor gerado pela
recombinação;
• A barreira de potencial depende da temperatura de junção;
• Um aumento na temperatura de junção gera mais elétrons livres e
lacunas nas regiões dopadas;
• Essas cargas se confundem na camada de depleção, elas ficam mais
estreitas. Assim, existe uma menor barreira de potencial com a
temperatura de junção mais alta;
• Regra: “A barreira de potencial de um diodo de silício diminui 2 mV para
cada grau Celsius de aumento”.
CmV
T
V
/º2−=


TCmVV −= )/º2(
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• Exemplo 1) Supondo a barreira de potencial de 0,7 V com uma
temperatura ambiente de 25 ºC, qual é a barreira de potencial de um
diodo de silício quando a temperatura for de
A) 100 ºC B) 0 ºC C) 50 ºC
TCmVV −= )/º2(
11. LIMITAÇÕES TÉRMICAS
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• Corrente de saturação reversa: quanto maior a temperatura, maior a
corrente de saturação;
• O valor de IS dobra para cada aumento de 10ºC de temperatura;
%100= SI
por ºC
• Ou se a variação for menos que 10ºC, podemos usar a seguinte regra.
%7= SI
Para cada aumento de 10ºC
11. LIMITAÇÕES TÉRMICAS