Semicondutores suas características, material, fabricação, tipos de material (P e N), mecanismo de corrente e Junção PN

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@malu.eng 
 
O Modelo Atômico de Rutherford-Bohr defende que o átomo é formado por um núcleo, composto por prótons 
e nêutrons, e elétrons que giram em orbitas bem definidas, a imagem abaixo demonstra isso. 
 
Através da imagem nota-se que o número de elétrons em cada orbita é diferente, isso se da porque cada uma 
delas possui um limite de capacidade, abaixo é mostra o limite de 4 delas: 
❖ K = (n=1) = 2; 
❖ L = (n=2) = 8; 
❖ M = (n=3) = 18; 
❖ N = (n=4) = 32; 
Essas camadas além dessa característica limitadora elas também possuem uma divisão. 
 
Órbita Externa (Banda de Valência) 
❖ A última camada do átomo; 
❖ Controla as propriedades elétricas do elemento, já que a quantidade de elétrons presentes nela 
influenciam essas características; 
❖ Os elétrons que estão nela podem se conectar através da ligação químicas com outros átomos ou se 
libertarem; 
❖ Quando os elétrons recebem um acréscimo de energia, sob a forma de luz ou calor, eles possuem uma 
maior facilidade de sair do átomo e assim se tornarem elétrons livres; 
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❖ Os elementos normalmente podem ser definidos pela quantidade de elétrons nessa camada: 
 Condutores  1 elétron 
 Semicondutores  4 elétrons 
 Isolantes  8 elétrons 
Elétrons Livres (Banda de Condução) 
❖ São elétrons que saíram dos átomos; 
❖ Sob a ação de um campo elétrico esses elétrons formam uma corrente elétrica; 
Banda proibida 
❖ Região entre duas orbitas, nela não é possível existir elétrons; 
❖ Ela tem um tamanho diferente para cada elemento; 
❖ O comportamento elétrico de um material é definido pela largura dessa banda; 
❖ Quanto menor a banda menos energia será necessário para retirar um elétron da órbita externa e 
torna-lo um elétron livre; 
❖ O tamanho pode influenciar nas características: 
 Condutores  Bandas pequenas; 
 Semicondutores  Bandas medias; 
 Isolantes  Bandas muito grandes; 
 
O silício é um dos elementos mais abundantes na costa terrestre, ficando atrás apenas do ferro, e é o principal 
material semicondutor. Sua obtenção ocorre através da extração do minério de Sílica ou do Quartzo. 
Para ser utilizado na eletrônica é necessária que o mesmo seja purificado até 99,999999%. 
Características do Cristal 
❖ Possui 4 elétrons; 
❖ Faz parte do grupo IVA; 
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❖ Pode realizar 4 ligações covalentes; 
❖ Possui uma estrutura regular com uma disposição tetraédrica (Cada átomo se liga a outros 4); 
Monocristal de Si 
❖ Formado pela repetição da estrutura cristalina do Si; 
❖ Base da fabricação dos dispositivos semicondutores e circuitos integrados; 
 
 
1º Etapa (Exposure) 
❖ Temos aqui o Wafer (bolacha), que seria uma fina fatia de material semicondutor; 
❖ Nesse wafer tem-se a formação de um oxido, conhecido como oxido de silício, que atua como um 
isolante; 
❖ Inicialmente coloca-se um material fotorresistivo em cima do wafer e passa um filme com a função de 
proteger esse material, fazendo com que apenas as partes expostas sejam degradadas por uma luz; 
2º Etapa (Photoresist Develop & Strip) 
❖ Aplica-se uma luz para retirar as partes exposta do material fotorresistivo; 
3º Etapa (Oxide Etch) 
❖ Aqui se remove o material fotorresisitivo e uma parte do oxido de silício através de um processo 
químico; 
4º Etapa (Ion implant) 
❖ Ocorre o bombardeamento de elétrons para formar o material P ou N; 
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5º Etapa (Metal Etch) 
❖ Realiza-se a conexão elétrica do componente fabricado; 
❖ Tem-se uma deposição de alumínio; 
❖ Passam uma camada de material fotoressitente, que é degradada a onde serão feitas as trilhas internas 
do dispositivo eletrônico; 
6º Etapa (Metal Deposition) 
❖ Acontece o processo de corrosão química por uma ácido, e sobra apenas os terminais nos quais é 
necessário fazer as conexões desse dispositivo eletrônico; 
 
O Sílicio Monocristalino é apresentado em 2D para facilitar o seu entendimento. 
Intrínseco 
❖ Os átomos são unidos através da ligação covalente; 
❖ Nessa condição em uma temperatura de zero absoluto o cristal seria um isolante, já que não possui 
nenhum elétron livre; 
❖ Como a situação não é a ideal existe uma energia (temperatura) capaz de quebrar algumas ligações e 
assim ocasionando na condução elétrica; 
❖ A condução elétrica aumenta conforme a temperatura; 
 
Extrínseco – Tipo N 
❖ No material puro temos o bombardeamento de impurezas, que se ligam a estrutura e ocasionam uma 
mudança nas características do mesmo; 
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❖ Essas impurezas são átomos com 5 elétrons na última camada, normalmente é o Fosforo (P) e o 
Arsênico (As); 
❖ Entre as ligações covalentes da impureza com o átomo de Si fica sobrando um elétron, que passa para 
a camada de condução virando assim um elétron livre; 
❖ A existência dos elétrons livres permite a condução elétrica; 
❖ A etapa onde ocorre o surgimento dessas impurezas é chamada de Bombardeamento Iônica; 
 
Extrínseco – Tipo P 
❖ Ao invés de ser bombardeado um átomo que possui 5 elétrons, como no caso do Tipo N, tem-se o 
bombardeamento de um com 3 elétrons; 
❖ O átomo colocado vai fazer as ligações covalentes, e através da falta de um elétron vai ser causado um 
buraco na estrutura atômica do semicondutor; 
❖ O buraco ocasionado não é fixo, e por isso pode ocorrer em átomos de Si; 
❖ Esse espaço vazio faz com que o material tenha uma maior condutividade; 
 
Os mecanismos de corrente em um material semicondutor podem funcionar de duas formas diferentes. 
Corrente de Campo ou Deriva (drift) 
❖ Causada por um campo elétrico externo; 
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❖ Quando é conectado a uma fonte externa um bloco de um material P ou N, temos o material se 
comportando de maneira similar a um condutor; 
❖ Os elétrons ou buracos vão fazer com que exista uma condução de corrente; 
 
Corrente de Difusão 
❖ Surge por causa de uma diferença de concentração dos portadores de carga e da difusão térmica 
aleatória; 
❖ Similar a ação de um perfume: 
 As moléculas são aplicadas em um local e depois elas se espalham pelo ambiente inteiro; 
❖ Ela é formada dentro de um semicondutor, no sentido de espalhar os elétrons livres ou buracos, e com 
isso é formado uma distribuição a princípio uniforme; 
 
A junção PN é a união de um material do tipo com um do tipo N. 
 
Junção PN não polarizada 
❖ Na região de junção existe uma diferença de concentração entre as lacunas e os elétrons livres, e com 
isso ocorre um fluxo nos materiais gerando assim uma corrente ID; 
❖ Ocorre o espalhamento dos elétrons para P e o aparecimento dos buracos em N; 
❖ Os elétrons quando chegam no material do tipo P caem exatamente onde estava os buracos; 
❖ Conforme ocorre esse processo de recombinação, vai existir uma carga positiva na região de fronteira 
de N e uma carga negativa em P; 
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❖ O acumulo das duas regiões de carga impede que mais elétrons saiam da região N em direção a P, isso 
ocorre até um certo valor, que quando é atingido a região entra em estabilidade formando uma barreira 
de potencial; 
 
Junção PN com polarização reversa 
❖ Aplica-se o processo de polarização que conecta o terminal positivo em N e o terminal negativo em P; 
❖ Quando se faz essa conexão temos o fortalecimento da separação que existe entre os dois materiais, 
não havendo a formação de corrente; 
 
Junção PN com polarização direta 
❖ Processo de polarização que conecta o terminal negativo em N e o positivo em P; 
❖ Os terminais empurram e rompem a barreira de potencial, e com isso inicia o processo de condução;