Semicondutores Classificação de Materiais

Definida em relação à condutividade elétrica

Materiais condutores Facilita o fluxo de carga elétrica

Materiais isolantes Dificulta o fluxo de carga elétrica

Semicondutores Resistividade (r)

Oposição ao fluxo de carga elétrica.

Condutor (Cobre): r 10-6 .cm Isolante (Mica): r 10+12 .cm

cmlRAr

Semicondutores Materiais semicondutores

Resistividade típica: Silício (Si): r 50 10+3 .cm Germânio (Ge): r 50 .cm

Nível de condutividade intermediária entre isolantes e condutores.

Semicondutores Dos estudos de química...

Última camada: Camada de valência Átomos com 4 elétrons nesta camada são

chamados átomos tetravalentes (carbono, silício e germânio).

Semicondutores Estrutura atômica

Cristalina chamados tetravalentes Elétrons livres – sensíveis à ddp aplicada Existe aproximadamente:

1,5 10+10 elétrons livres em 1 cm3 (Si Intrínseco) 2,5 10+13 elétrons livres em 1 cm3 (Ge

Intrínseco)

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Semicondutores

Temperatura, Luz e Impurezas

As propriedades elétricas dos semicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição a luz e acréscimos de impurezas.

Semicondutores

Semicondutores Portadores de Carga

Maus condutores no estado intrínseco

Temperatura >> Elétrons livres >>

Resistência <<

Coeficiente de temperatura negativo!

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Níveis de Energia

Banda decondução

isolante semicondutor condutor

Banda proibida

Banda deValência

Elétronslivres

Lacunas

Banda decondução

Banda deValência

Energia necessária para conduzir:

Materiais Extrínsecos Dopagem do Tipo P e N

Aplicação de impurezas (cuidadosamente) para controlar a condutividade do material a partir de fontes elétricas, térmicas ou luminosas.

Formar Material do Tipo N Impureza pentavalente: Fósforo, Arsênio e

Antimônio

Formar Material Tipo P Impureza trivalente: Boro, Alumínio e Gálio

Introduz um elétron “livre”

elétron

Silício

Elétron “livre”

Dopante pentavalente

Antimônio (Sb)

Material Tipo N

Material continua neutro: nº protons núcleo = nº elétrons órbita

elétron

Silício Buraco

livre

Dopante trivalente

Boro (B)

Introduz uma “lacuna”

Material Tipo P

Material continua neutro: nº protons núcleo = nº elétrons órbita

Efeito na Banda de Energia Material Tipo N

Dopagem 1 parte em 10 milhões Elétron inserido necessita de menos energia

para se tornar condutor

Portadores Majoritários Elétrons (-) no Material Tipo N

Portadores Minoritários Lacunas (+) no Material Tipo P

Diodo Estruturalmente temos:

Material P íons receptores + “lacunas” livres

Material N íons doadores + elétrons livres

-+-+

-+-+

-+

-+-+

-+

-+

-+

-+-+ +-

+-

+- +-+-

+- +-

+-

+-

+-

+-+-

Material p Material n

Diodo A Junção do material do tipo P com o

material do tipo N produz o Diodo.

-+-+

-+-+

-+

-+-+

-+

-+

-+

-+-+ +-

+-

+- +-+-

+- +-

+-

+-

+-

+-+-

Material p Material n

Diodo Próximo à junção, os elétrons livres do

material do tipo N migram para as “lacunas” livres do material do tipo P (atração elétrica).

-+-+

-+-+

-+

-+-+

-+

-+

-+

-+-+ +-

+-

+- +-+-

+- +-

+-

+-

+-

+-+-

Material p Material n

Diodo Forma-se então uma zona de depleção

onde há apenas íons negativos e positivos fixados pela estrutura cristalina.

-+-+

-+-+

-+

-+-+

-+

-

---+ +

+

+ +-+-

+- +-

+-

+-

+-

+-+-

Material p Material n

Diodo Forma-se um campo elétrico que impede

esse movimento

O tamanho da zona de depleção depende: Do material intrínseco (Si, Ge) Da quantidade de impurezas

Tipo N Tipo P

E

Diodo Aplicando uma tensão (polarização

reversa) Elétrons são atraídos para potencial

positivo “Lacunas” são atraídas para potencial

negativo

-+-+

-+-+

-+

-+-+

-+

-

---+ +

+

+ +-+-

+- +-

+-

+-

+-

+-+-

Material p Material n

Diodo Aumento da zona de depleção, impedindo

elétrons livre alcançarem “lacunas” livres através dessa zona.

Presença de corrente reversa (saturação) – Is Devido a impurezas – minoritárias – dos

materiais.

-+-+

-+-+

-+

-+-

+

-+

-

---+ +

+

+ + -+-

+- +-

+-

+-

+-

+-+-

Material p Material n

Is

Diodo Aplicando uma tensão (polarização

direta) Elétrons são afastados pelo potencial

negativo “Lacunas” são afastados pelo potencial

positivo

-+-+

-+-+

-+

-+-+

-+

-

---+ +

+

+ +-+-

+- +-

+-

+-

+-

+-+-

Material p Material n

Diodo Redução da zona de depleção, facilitando

elétrons livre alcançarem “lacunas” livres através dessa zona.

Pouca energia para que elétrons e “lacunas” livres cruzem a junção (corrente Imajoritários)

IsImajoritários

-+-+

-+-+

-+

-+-+

-+

-+

-+

-+-+ +-

+-

+- +-+-

+- +-

+-

+-

+-

+-+-

Material p Material n

Diodo Note que existe uma tensão mínima

aplicada pela bateria/fonte que consegue “zerar” a zona de depleção (potencial de junção). Silício Vjunção = 0,7 V Germânio Vjunção = 0,3 V

Quando polarizado diretamente o diodo conduzirá corrente quando a

tensão direta aplicada for maior que o potencial de junção.

Vdireta > Vjunção.

Referências Dispositivos Eletrônicos e Teoria de

Circuitos Boylestad & Nashelsky

Notas de Aula – Disciplina Eletrônica Prof. Marcelo de Oliveira Rosa – UTFPR –

Curitiba

Diodos Semicondutores Alexandre S. Lujan – Semikron Semicondutores

Ltda.