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SEMICONDUTORES Condução Eletrônica A corrente elétrica é resultante do movimento de partículas carregadas eletricamente como resposta a uma força de natureza elétrica, em função do campo elétrico aplicado. Partículas carregadas positivamente são deslocadas (aceleradas) na direção do campo elétrico, enquanto as partículas carregadas negativamente na direção oposta. Na grande maioria dos materiais sólidos a corrente elétrica surge do fluxo de elétrons.

SEMICONDUTORES Condução Eletrônica - UDESC - CCT · SEMICONDUTORES Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos Em todos condutores, semicondutores e em muitos materiais isolantes

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SEMICONDUTORES

Condução Eletrônica

A corrente elétrica é resultante do movimento de partículas

carregadas eletricamente como resposta a uma força de

natureza elétrica, em função do campo elétrico aplicado.

Partículas carregadas positivamente são deslocadas

(aceleradas) na direção do campo elétrico, enquanto as

partículas carregadas negativamente na direção oposta.

Na grande maioria dos materiais sólidos a corrente elétrica

surge do fluxo de elétrons.

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Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos

Em todos condutores, semicondutores e em muitos

materiais isolantes somente a condução eletrônica existe.

A magnitude da condutividade elétrica é fortemente

dependente do número de elétrons disponíveis para

participar do processo de condução.

Vimos anteriormente a estrutura de um átomo isolado.

Para cada átomo individual existe níveis de energia

discretos que podem ser preenchidos pelos elétrons.

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Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos

As camadas são designadas pelos inteiros (1, 2, 3,etc.) e as

sub-camadas pelas letras (s, p, d, f).

Para cada uma das sub-camadas, existem respectivamente

um,três, cinco e sete estados.

Os elétrons, na maior parte dos átomos tendem a ocupar os

estados com energia mais baixa.

Os conceitos discutidos anteriormente são válidos para o

caso de um átomo isolado.

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Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos

Suponha agora que estes conceitos serão ampliados para

um material sólido.

Um sólido consiste de um grande número de átomos que

quando juntos, se ligam para formar um arranjo atômico

que define a sua estrutura cristalina.

Em grande distâncias (separação entre os átomos), cada

átomo é independente de todos os outros e terá nível de

energia atômico e configuração eletrônica como se fosse

isolado.

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Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos

À medida que os átomos ficam próximos, ocorre

perturbação dos níveis de energia de um determinado

átomo pelos elétrons e núcleo de átomos adjacentes.

Esta influência se dá de tal maneira que cada estado

atômico distinto pode se dividir em uma série de estados

próximos, para formar o que chamamos de banda de

energia eletrônica.

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Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos

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Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos

No interior de cada banda, os estados de energia são

discretos sendo a diferença entre eles bastante pequena.

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Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos

O número de estados dentro de cada banda será igual ao

total de todos os estados contribuídos pelos N átomos.

Por exemplo, uma banda “s” consistirá de N estados e a

banda “p” consistirá de 3N estados.

Os elétrons que ocuparão determinada banda de energia

correspondem aos elétrons que fazem parte de um

determinado nível de energia no átomo isolado.

Por exemplo, a banda de energia 4s no sólido conterá os

elétrons 4s dos átomos isolados.

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Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos

As propriedades elétricas de um material sólido são

consequência de sua estrutura de banda eletrônica, isto

é do arranjo da estrutura de banda mais externa.

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Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos

As propriedades elétricas de um material sólido são

consequência de sua estrutura de banda eletrônica, isto

é do arranjo da estrutura de banda mais externa.

Metais:

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Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos

Semicondutores e isolantes:

SEMICONDUTORES

Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos

Semicondutores e isolantes

No caso anterior, os elétrons precisam ter energia para

passar pela banda proibida “band gap” em direção aos

estados vazios na banda de condução.

O número de elétrons excitados termicamente para o

interior da banda de condução depende da largura da banda

proibida como também da temperatura.

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Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos

Semicondutores e isolantes

Quanto maior for a largura da banda proibida, menor

será a condutividade elétrica numa dada temperatura.

Dessa maneira, a distinção entre semicondutores e

isolantes está na largura da banda proibida. Para

semicondutores ela é pequena, enquanto para isolantes

ela é relativamente grande.

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SEMICONDUTIVIDADE

A condutividade elétrica dos materiais semicondutores não

é tão elevada quanto a dos metais, entretanto eles

apresentam características elétricas especiais destinadas a

certos propósitos.

As propriedades elétricas destes materiais são

extremamente sensíveis a presença de impurezas.

Existem dois tipos de semicondutores:

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SEMICONDUTIVIDADE

Semicondutores intrínsecos: o comportamento elétrico é

baseado na estrutura eletrônica relacionada com o material

puro (sem impurezas).

Semicondutores extrínsecos: nesse caso as características

elétricas são determinadas pelos átomos de impurezas.

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SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA

Os semicondutores intrínsecos são caracterizados por

terem a estrutura de banda mostrada na figura anterior.

A 0 K, eles apresentam a banda de valência completamente

preenchida e separada da banda de condução por uma

banda proibida.

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SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA

Os dois semicondutores mais importantes são o silício (Si)

e o germânio (Ge) com gap de energia de 0,7 eV e 1,1 eV

respectivamente.

Ambos são encontrados na família 4 A da tabela periódica

e são ligados de maneira covalente.

A tabela a seguir fornece algumas informações sobre os

elementos citados anteriormente e os principais compostos.

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SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA

SEMICONDUTORES

SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA

Conceito de lacuna

Nos semicondutores intrínsecos para cada elétron excitado

em direção a banda de condução, existe um espaço vazio

deixado por este em uma das ligações covalentes.

A lacuna pode ser tratada como uma partícula carregada

positivamente que se move em direção oposta ao elétron.

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SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA

Sem a presença de campo elétrico

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SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA

Com a presença de campo elétrico

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SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA

Com a presença de campo elétrico

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SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Praticamente todos semicondutores comerciais são extrínse

cos, isto é, o comportamento elétrico é determinado por

impurezas, que quando presentes até mesmo em pequenas

concentrações introduzem excesso de elétrons ou de

lacunas.

Semicondução extrínseca tipo n

Um átomo de silício tem quatro elétrons de valência, sendo

cada um ligado de maneira covalente com um dos quatros

átomos de silício adjacentes.

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SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Se um átomo de impureza com cinco elétrons de valência

for adicionado a estrutura constituída por átomos de silício,

então somente quatro dos cinco elétrons de valência dos

átomos de impurezas podem participar no processo de

ligação.

Fica então um elétron ao redor do átomo de impureza com

fraca atração eletrostática. Este elétron é facilmente

removido do átomo de impureza tornando-se elétron livre

ou de condução.

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SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Fósforo com cinco elétrons de valência adicionado.

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SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Fósforo com cinco elétrons de valência adicionado.

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SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Fósforo com cinco elétrons de valência adicionado.

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SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Como a impureza doa o elétron para a banda de condução,

esta é denominada de doadora.

Desde que o elétron é originado do átomo de impureza,

nenhuma lacuna é criada na camada de valência.

Na temperatura ambiente, a energia térmica disponível é

suficiente para excitar grande quantidade de elétrons para a

banda de condução.

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SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Os elétrons oriundos da ligação covalente são em menor

quantidade, ou seja, existem poucas lacunas que são os

portadores de carga minoritários.

Esse tipo de material é denominado “tipo n”, e os elétrons

são os portadores de carga majoritários em função de sua

densidade ou concentração.

As lacunas nesse tipo de material são os portadores de

carga minoritários.

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SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

SEMICONDUTORES

SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Semicondução extrínseca tipo – p

Como situação oposta a definida anteriormente, um átomo

de impureza com três elétrons de valência é adicionado a

estrutura do silício ou do germânio.

Uma das ligações covalentes ao redor deste átomo estará

faltando um elétron. Tal deficiência pode ser vista como

uma lacuna que está fracamente ligada ao átomo de

impureza.

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SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Semicondução extrínseca tipo – p

Tal lacuna pode ser liberada do átomo de impureza pela

transferência de um elétron de uma ligação adjacente.

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SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Semicondução extrínseca tipo – p

SEMICONDUTORES

SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Semicondução extrínseca tipo – p

Observe com base na figura anterior que cada átomo de

impureza introduz um nível de energia na “band gap”.

Um lacuna pode ser imaginada como sendo criada na

banda de valência pela energia térmica de um elétron da

banda de valência para ocupar o estado energético da

impureza.

Dessa forma, somente um portador é produzido. Esse tipo

de impureza é denominada de receptora.

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SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Semicondução extrínseca tipo – p

Para este tipo de condução extrínseca, as lacunas estão

presentes em maior quantidade do que os elétrons. Esse

tipo de material é chamado do “tipo p”.

Isto ocorre porque partículas carregadas positivamente são

responsáveis pela condução elétrica.

Então, as lacunas são os portadores majoritários e os

elétrons são os portadores minoritários.

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SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Os semicondutores extrínsecos (tipo –n e tipo-p) são

produzidos a partir de materiais que inicialmente

possuem elevada pureza.

Concentrações controladas de doadores e receptores

específicos são intencionalmente adicionadas. Esse

processo é conhecido como dopagem.

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SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

Nos semicondutores extrínsecos um grande números de

portadores de carga (elétrons ou lacunas) são criados na

temperatura ambiente.

Como consequência, uma elevada condutividade elétrica

na temperatura ambiente é obtida.

SEMICONDUTORES

DEPENDÊNCIA DA TEMPERATURA

DA CONCENTRAÇÃO DE PORTADORES

SEMICONDUTORES

DEPENDÊNCIA DA TEMPERATURA

DA CONCENTRAÇÃO DE PORTADORES

Para o semicondutor extrínseco a concentração de

portadores em função temperatura é diferente do

semicondutor intrínseco.