Materiais semicondutores Professor Wilian Soares Lacerda São materiais que possuem um nível de resistividade (ρ) entre os extremos de um isolante e um condutor. A L R .ρ= Materiais semicondutores Material ρρρρ Condutor 10-6Ω.cm (cobre, ferro, prata) Semicondutor 50Ω.cm (germânio), 10kΩ.cm (silício) Isolante 1012Ω.cm (mica, cerâmica, madeira) Átomo de silício (modelo de Bohr): É o material composto apenas por átomos semicondutores de mesmo tipo. Exemplo: cristal de silício. Cristal semicondutor (material intrínseco) + elétron núcleo Banda de valência Obs: • Quanto maior a órbita de um elétron, maior a sua energia. • Para um elétron pular para uma órbita maior, ele deve receber energia (calor, luz, radiação). • Para um elétron pular para uma órbita menor, ele deve liberar energia. Simbologia: Si- - - - átomo Elétron de valência Obs.: 4 elétrons na camada de valência (átomo tetravalente). Ligação covalente É a força que mantém juntos os átomos de um cristal através do compartilhamento de elétrons. A ligação covalente entre átomos de silício formam o cristal semicondutor. Cada átomo compartilha seus elétrons da camada de valência, completando a camada com 8 elétrons (lei da estabilidade).completando a camada com 8 elétrons (lei da estabilidade). Si- - - - Si- - - - Si- - - - Si- - - - Si- - - - Ligação covalente Semicondutor intrínseco • É o cristal semicondutor puro. • Qualquer elétron da camada de valência pode absorver energia (térmica, luz, radiação) e se tornar um elétron livre, diminuindo a resistência elétrica do semicondutor. • Na temperatura ambiente alguns elétrons de valência alcançam a banda de condução, onde podem formar corrente elétrica. • O espaço vago deixado pelo elétron na banda de valência é chamado de lacuna. • O tempo entre a criação e o desaparecimento de um par elétron-lacuna é chamado tempo de vida. • Um semicondutor pode conduzir corrente pelo movimento de elétrons na banda de condução ou pelo movimento de lacunas na banda de valência. - Ligação Si- - - - Si- - - - Si- - - Si- - - - Si - - - - covalente rompida Elétron livre (banda de condução) Buraco ou lacuna (+) Coeficiente de temperatura • Positivo: nos metais, ao aumentar a temperatura, aumenta a vibração entre os átomos e por isso dificulta a circulação dos elétrons livres, aumentando a sua resistência elétrica. • Negativo: nos semicondutores, ao aumentar a temperatura,• Negativo: nos semicondutores, ao aumentar a temperatura, mais elétrons da camada de valência conseguirão quebrar as ligações covalentes, tornando-se elétrons livres, portadores de carga, diminuindo a resistência elétrica. Semicondutor extrínseco • É o cristal semicondutor com impurezas • É o cristal semicondutor com impurezas (átomos de outro tipo). Semicondutor tipo N (material extrínseco tipo N) É o cristal semicondutor dopado com átomos (impurezas) pentavalentes (5 elétrons na camada de valência). Exemplo: Antimônio (Sb), Fósforo (P) Na ligação entre o átomo de silício e o átomo pentavalente, sobra um elétron que vai para a banda de condução.sobra um elétron que vai para a banda de condução. Si- - - - P- - - - Si- - - - Si- - - - Si - - - - Ligação covalente Elétron livre (portador majoritário) - Simbologia: + - Elétron livreÍon positivo Obs.: • A estrutura continua eletricamente neutra. • Portador majoritário: elétron. • Portador minoritário (gerado termicamente): lacuna (buraco). Semicondutor tipo P (material extrínseco tipo P) • É o cristal semicondutor dopado com átomos trivalentes (3 elétrons na camada de valência). Exemplo: Boro (B) - Ligação Si- - - - B- - + - Si- - - Si- - - - Si - - - Ligação covalente incompleta Buraco ou lacuna (portador majoritário) - • Na ligação entre o átomo de silício e o átomo trivalente, aparece uma lacuna na banda de valência. • Quanto maior o nível de dopagem, menor será a resistência elétrica do material semicondutor. Simbologia: Buraco ou lacunaÍon negativo Obs.: • A estrutura continua eletricamente neutra. • Portador majoritário: lacuna (buraco). • Portador minoritário (gerado termicamente): elétron. - + Junção PN (diodo semicondutor) É constituído pelo contato entre um bloco de semicondutor tipo P e um bloco de semicondutor tipo N. 1 - Antes da junção: Material tipo P: Material tipo N:Material tipo P: Material tipo N: - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - 2 - Logo após a junção: Material tipo P: Material tipo N: - + - + - + - + - + - + - + - + + - + - + - + - + - + - + - + - - - + - - + - + - - + - + + + - + - + + - + - + 3 - Transcorrido um intervalo de tempo após a junção: Material tipo P: Material tipo N: - + + + - + - - + + - + - - + - - - + - - + - - - - + + + + + + - + - + Região de depleção (sem portadores) ou Barreira de potencial Constituição do diodo: P N terminalcontato catodoanodo Símbolo do diodo: anodo catodo Polarização reversa do diodo: - + - - - + + + + - P N - + - + - - - - - - + + + + + + + - + - Região de depleção (sem portadores) ou Barreira de potencial Obs.: • Não há fluxo de portadores majoritários (Id = 0A) • Há um pequeno fluxo de portadores minoritários (corrente de saturação reversa: Is ≈ 0A) Simbologia:Simbologia: IsId Polarização direta do diodo: - + + - - - + + + + - P N + + + + -- - + - + - - - - - - + + + + + + + - + - Região de depleção (sem portadores) ou Barreira de potencial + + + + - - - - Obs.: • Grande corrente direta (Id > 0A). Simbologia: Id Curva característica do diodo: Ge Si Id GeSi Vd0,7V0,3V VBRVBR Circuito de teste: Id R Vf Vf (Si) = 0,7V Is (Si) = nA Vf (Ge) = 0,3V Is (Ge) = µA Vd Silício X Germânio: Diodo ideal (chave estática): • Polarizado reversamente (chave aberta): Id=0A Vd<0V • Polarizado diretamente (chave fechada): Id>0A Vd=0V • Curva característica do diodo ideal: Id Chave fechada Chave aberta Vd Efeito avalanche: O potencial de polarização reverso pode fazer com que portadores minoritários, responsáveis pela corrente de saturação reversa (Is), aumentem a sua velocidade e liberem portadores adicionais através das colisões com as estruturas atômicas, que podem por sua vez liberar outros portadores. Id Vd TPI Vz Região zener Ruptura Zener: Quando o nível de dopagem nos materiais P e N são altos, um forte campo elétrico reverso na região de junção pode quebrar as ligações gerando portadores (elétrons e lacunas), gerando uma alta corrente reversa pelo diodo. O diodo zener é um tipo especial de diodo que é fabricado para funcionar na região zener da curva característica.para funcionar na região zener da curva característica. Símbolo do diodo zener: anodo catodo Efeito da temperatura • A cada aumento de 10oC na temperatura, o diodo polarizado reversamente tem a sua corrente de saturação reversa dobradadobrada Circuito equivalente aproximado do diodo real • Polarizado diretamente: Diodo ideal 0,7V Diodo ideal 0,7V Id > 0A Vd = 0,7V Polarizado reversamente: Diodo ideal Id = 0A Vd < 0V Curva característica: Id Polarizado diretamente Vd Polarizado reversamente 0,7V Circuito equivalente do diodo zener • Polarizado reversamente: Real Equivalente Vz Iz Iz Vz Diodo emissor de luz (LED) São diodos que emitem luz quando diretamente polarizados. Utilizam o fosfeto de arsenieto de gálio (GaAsP) como material semicondutor. Símbolo: Características elétricas: Id = 10mA Vd = 2,5V