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Materiais semicondutores Professor Wilian Soares Lacerda São materiais que possuem um nível de resistividade (\u3c1) entre os extremos de um isolante e um condutor. A L R .\u3c1= Materiais semicondutores Material \u3c1\u3c1\u3c1\u3c1 Condutor 10-6\u2126.cm (cobre, ferro, prata) Semicondutor 50\u2126.cm (germânio), 10k\u2126.cm (silício) Isolante 1012\u2126.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: \u2022 Quanto maior a órbita de um elétron, maior a sua energia. \u2022 Para um elétron pular para uma órbita maior, ele deve receber energia (calor, luz, radiação). \u2022 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 \u2022 É o cristal semicondutor puro. \u2022 Qualquer elétron da camada de valência pode absorver energia (térmica, luz, radiação) e se tornar um elétron livre, diminuindo a resistência elétrica do semicondutor. \u2022 Na temperatura ambiente alguns elétrons de valência alcançam a banda de condução, onde podem formar corrente elétrica. \u2022 O espaço vago deixado pelo elétron na banda de valência é chamado de lacuna. \u2022 O tempo entre a criação e o desaparecimento de um par elétron-lacuna é chamado tempo de vida. \u2022 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 \u2022 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. \u2022 Negativo: nos semicondutores, ao aumentar a temperatura,\u2022 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 \u2022 É o cristal semicondutor com impurezas \u2022 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.: \u2022 A estrutura continua eletricamente neutra. \u2022 Portador majoritário: elétron. \u2022 Portador minoritário (gerado termicamente): lacuna (buraco). Semicondutor tipo P (material extrínseco tipo P) \u2022 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) - \u2022 Na ligação entre o átomo de silício e o átomo trivalente, aparece uma lacuna na banda de valência. \u2022 Quanto maior o nível de dopagem, menor será a resistência elétrica do material semicondutor. Simbologia: Buraco ou lacunaÍon negativo Obs.: \u2022 A estrutura continua eletricamente neutra. \u2022 Portador majoritário: lacuna (buraco). \u2022 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.: \u2022 Não há fluxo de portadores majoritários (Id = 0A) \u2022 Há um pequeno fluxo de portadores minoritários (corrente de saturação reversa: Is \u2248 0A) Simbologia:Simbologia: IsId Polarização direta do diodo: - + + - - - + + + + - P N + + + + -- - + - + - - - - - - + + + + + + + - + - Região de depleção (sem portadores) ou Barreira de potencial + + + + - - - - Obs.: \u2022 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): \u2022 Polarizado reversamente (chave aberta): Id=0A Vd<0V \u2022 Polarizado diretamente (chave fechada): Id>0A Vd=0V \u2022 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 \u2022 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 \u2022 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 \u2022 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