UNIVERSIDADE DE UBERABA

MATIAS SANTOS PEREIRA

MATERIAIS SEMICONDUTORES

UBERABA - MG

2011

MATIAS SANTOS PEREIRA

MATERIAIS SEMICONDUTORES

Trabalho apresentado à Universidade Uberaba como parte das exigências à conclusão do componente curricular Materiais Elétricos do 4º período/2011 do Curso de Engenharia Elétrica. Orientador (a): Prof.(ª) Manoel Ferreira

UBERABA - MG

2011

Resumo

Os semicondutores são sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária

entre condutores e isolantes. Os elementos semicondutores podem ser tratados

quimicamente para transmitir e controlar uma corrente elétrica.

Possuem em sua composição o silício e o germânico, além do gálio, do cádmio,

arsênio e telúrio, que formam ligações covalentes semelhantes a dos materiais

cerâmicos, podendo ser considerados como uma subclasse da cerâmica. Possuem

propiedades elétricas que são intermediarias entre aquelas apresentadas pelos

condutores elétricos e pelos isolantes.

É importante na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos,

transístores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica,

microprocessadores, e nanocircuitos usados em nanotecnologia. Portanto

atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção

de seus componentes.

Figuras

Figura 01 - Bandas de energia 10

Figura 02 - Impurezas no material tipo P 16

Figura 03 - Demonstração de íons negativos. 17

Figura 04 - A corrente de buracos 17

Figura 05 - A transferência de cargas 18

Figura 06 - Formação do elemento N 19

Figura 07 - Demonstração dos íons positivos 20

Figura 08 - Trajetória de elétron e aparente do íon. 21

Figura 09 - Movimento dos eletrons e das lacunas nos semicondutores 25

Figura 10 - Junção PN em aberto mostrando as duas

correntes (difusão e de deriva). 27

Figura 11 - Junção PN com polarização reversa 28

Figura 12 - Junção PN com polarização direta 29

Figura 13 - Curva tensão e corrente no diodo. 32

Figura 14 - Sentido de fluxo de corrente no diodo 33

Figura 15 - Curva de tensão e corrente no diodo 34

Abreviaturas

º K – Temperatura Kelvin

P-N – Junção Positivo e Negativo

Sb – antimônio

“holes” – buraco

Ge – Germânio

Si – Silício

Cis – Circuitos integrados

CC – Corrente Continua.

Sumário

1. Introdução 7

2. Objetivos 8

3. Justificativa 9

4. Caracterização dos principais materiais semicondutores 10

5. Silício 11

5.1 Principais características 11

5.2 Aplicações 12

6. Germânio 12

7. Semicondutor Extrínseco 13

8. Semicondutor Intrínseco 14.

9. Formação dos elementos tipo P e N 15

9.1 Formação do material tipo P 15

9.2 Formação do elemento tipo N 18

10. Conceito de lacuna ou vacância 21

11. Mecanismo de condução nos semicondutores 22

12. Mobilidade de carga em semicondutores 23

13. Portadores majoritários e portadores minoritários. 23

14. Movimento dos elétrons e das lacunas nos semicondutores dopados. 24

15. Difusão 25

16. Junção PN 26

16.1 Junção PN com Polarização Reversa 27

16.2 Junção PN com Polarização Direta 27

17. Aplicações dos Materiais Semicondutores 29

18. Dispositivo semicondutor 30

19. Diodos 31

19.1 Diodos retificadores 34

19.2 Diodos de sinais 35

19.3 Diodos de comutação 35

19.4 Diodos de alta freqüência 35

19.5 Diodos estabilizadores de tensão 36

20. Conclusão 37

21. Referências 38

7

1. Introdução

Esse trabalho destaca os dispositivos semicondutores, que são componentes

muito importantes nos circuitos eletrônicos. Basicamente, controlam o fluxo da

corrente elétrica, podendo atuar como simples retificadores ou chaves interruptoras;

mas o fundamental desses dispositivos e a variação de fluxo de corrente

proporcionalmente a pequenos sinais de controle, fornecendo dessa maneira,

amplificação. Essa propriedade de controle de condução de corrente explica o

grande uso dos materiais semicondutores nos circuitos diversos na eletrônica.

8

2. Objetivos

Através desse trabalho, buscam-se as principais características dos materiais

semicondutores. Mostrando a estrutura dos principais elementos silício e germânio,

bem como o processo de dopagem dos semicondutores.

O comportamento dos semicondutores eletricamente será mostrado de forma a

esclarecer ao leitor o que realmente é a junção PN e como se dão as polarizações

desses materiais.

Por fim apresenta-se – a alguns dispositivos semicondutores, e também

algumas aplicações desses dispositivos, na área da eletrônica.

9

3. Justificativa

Este trabalho foi desenvolvido como parte de estudo das matérias

fundamentais na disciplina Materiais elétricos do 4º período do curso de engenharia

elétrica da Universidade de Uberaba.

No desenvolvimento observa-se que para conhecer a fundo as particularidades

dos dispositivos semicondutores, é necessário um estudo detalhado desde a

estrutura atômica desses materiais até os diversos processos que envolvem a

confecção dos mesmos.

Na busca de evidenciar a importância desses materiais, houve um ampla

pesquisa para demonstrar de forma objetiva uma síntese, que propicie uma

compreensão de como funcionam os materiais semicondutores.

10

4. Caracterização dos principais materiais semicond utores

Em química sabe-se, que em condições normais, os átomos que possuem 4

elétrons na última camada de valência não são estáveis.

Os semicondutores se enquadram nesse grupo, mas por causa da forma com

que agrupam seus átomos (cada átomo fica equidistante e, relação a quatro outros

átomos, ou seja, uma estrutura cristalina) eles conseguem alcançar a estabilidade

fazendo quatro ligações químicas covalentes, conseguindo 8 elétrons na última

camada, e por consequência ficam estáveis quimicamente.

Mas qual são as características dos semicondutores que os tornam tão

importantes para a eletrônica?

Os semicondutores formam Bandas de Energia, com as seguintes

características:

Figura 01 – Bandas de energia

Fonte: Infoescola

São formadas bandas, separadas por Lacunas. A última banda é chamada de

Banda de Condução. Logo abaixo existe a Banda de Valência, e em baixo as outras

camadas. Na temperatura 0 K, a banda de condução vai estar totalmente vazia, e a

banda de valência totalmente preenchida (Na imagem acima a temperatura está

mais elevada).

Quando o material é aquecido, alguns elétrons saem da banda de valência e

passam para a banda de condução. Isso somente é possível devido ao ganho de

11

energia no elétron, pois para passar à uma banda superior, deve ter energia o

suficiente (representado por ∆E).

Conclusão parcial: Sob temperatura 0 K os semicondutores possuem a camada de

valência totalmente preenchida e um ∆E relativamente baixo (entre o ∆E dos

condutores e dos isolantes), o que possibilita controlar a condutividade deles

variando a temperatura.

5. Silício

O silício (latim: silex, pedra dura, inglês: silicon) é um elemento químico de

símbolo Si de número atômico 14 (14 prótons e 14 elétrons) com massa atômica

igual a 28 u. À temperatura ambiente, o silício encontra-se no estado sólido. Foi

descoberto por Jöns Jacob Berzelius, em 1823. O silício é o segundo elemento mais

abundante da face da terra, perfazendo 25.7% do seu peso. Aparece na argila,

feldspato, granito, quartzo e areia, normalmente na forma de dióxido de silício (

também conhecido como sílica ) e silicatos ( compostos contendo silício, oxigênio e

metais). O silício é o principal componente do vidro, cimento, cerâmica, da maioria

dos componentes semicondutores e dos silicones, que são substâncias plásticas

muitas vezes confundidas com o silício. .

Pertence ao grupo 14 (4A) da Classificação Periódica dos Elementos.

Apresenta-se na forma amorfa e cristalina; o primeiro na forma de um pó pardo mais

reativo que a variante cristalina, que se apresenta na forma octaédrica de coloração

azul grisáceo e brilho metálico.

5.1 Principais características

Suas propriedades são intermediárias entre as do carbono e o germânio. Na

forma cristalina é muito duro e pouco solúvel, apresentando um brilho metálico e

uma coloração grisácea. É um elemento relativamente inerte e resistente à ação da

maioria dos ácidos; reage com os halogênios e álcalis. O silício transmite mais de

95% dos comprimentos de onda das radiações infravermelhas.

12

5.2 Aplicações

É utilizado para a produção de ligas metálicas, na preparação de silicones, na

indústria cerâmica e, por ser um material semicondutor muito abundante, tem um

interesse muito especial na indústria eletrônica e microeletrônica, como material

básico para a produção de chips para transistores, pilhas solares e, em diversas

variedades de circuitos eletrônicos. .

O silício é um elemento vital em numerosas indústrias. O dióxido de silício, areia e

argila são importantes constituintes do concreto armado e azulejos (ladrilhos).

.

Outros importantes usos do silício são:

• Como material refratário, sendo usado em cerâmicas e esmaltado.

• Como elemento de liga em fundições.

• Fabricação de vidro e cristais para janelas e isolantes, entre outros usos.

• O carboneto de silício é um dos abrasivos mais importantes.

• Usa-se em lasers para a obtenção de luz com um comprimento de onda de

456 nm.

• O silicone se usa em medicina para implantes em seios e produção de lentes

de contato.

• O silicone é usado para fabricação de Chupetas.

6. Germânio

O germânio é um elemento químico de símbolo Ge , número atômico 32 (32

prótons e 32 elétrons ) com massa atômica 72,6 uma. À temperatura ambiente, o

germânio encontra-se no estado sólido. É um semi-metal pertencente ao grupo 14( 4

A) da Classificação Periódica dos Elementos.Foi descoberto em 1886 pelo alemão

Clemens Winkler. As aplicações do germânio estão limitadas ao seu alto custo e em

muitos casos estuda-se a sua substituição por materiais mais econômicos. Sua

aplicação principal é como semicondutor em eletrônica, produção de fibras ópticas e

equipamentos de visão noturna.

13

6.1 Principais características

O germânio é um semi-metal sólido, duro, cristalino, de coloração branco

acinzentada, lustroso, quebradiço, que conserva o brilho em temperaturas

ordinárias. Apresenta a mesma estrutura cristalina do diamante e resiste à ação dos

ácidos e álcalis. Forma grande número de compostos organolépticos e é um

importante material semicondutor utilizado em transístores e fotodetetores.

Diferentemente da maioria dos semicondutores, o germânio tem uma pequena

banda proibida (band gap) respondendo de forma eficaz a radiação infravermelha e

pode ser usado em amplificadores de baixa intensidade.

6.2 Aplicações

As aplicações do germânio estão limitadas ao seu alto custo e em muitos casos

estuda-se a sua substituição por materiais mais econômicos. Os principais usos são:

• Fibra óptica.

• Eletrônica: Radares, amplificadores de guitarras elétricas, ligas metálicas de

SiGe em circuitos integrados de alta velocidade.

• Óptica de infravermelhos: espectroscópios, sistemas de visão noturna e

outros equipamentos.

• Lentes, com alto índice de refração, de ângulo amplo e para microscópios.

• Em jóias é usado uma liga metálica de Au com 12% de germânio.

• Como elemento endurecedor do alumínio, magnésio e estanho.

• Em quimioterapia.

• O tetracloreto de germânio é usado como catalisador na síntese de

polímeros.

• Foi usado enquanto germanato de bismuto no tipo de camera gama utilizada

nos anos 80, em medicina nuclear.

7. Semicondutor Extrínseco

Há diversas maneiras de se provocar o aparecimento de elétrons e lacunas

livres no interior de um cristal semicondutor. Uma delas é através da energia térmica

(ou calor), e a sua produção de pares, eletro-lacuna, recebe o nome de geração

térmica de portadores. Outra maneira consiste em fazer com que um feixe de luz

14

incida sobre o material semicondutor, baseando-se este fenômeno no princípio de

funcionamento dos dispositivos fotossensíveis. Na prática, contudo, necessitamos

de um cristal semicondutor em que o número de elétrons livres seja bem superior ao

número de lacunas, ou de um cristal onde o número de lacunas seja bem superior

ao número de elétrons livres. Isto e conseguido tomando-se um cristal semicondutor

puro (intrínseco) e adicionando-se a ele, por meio de técnicas especiais, uma

determinada quantidade de outros tipos de átomos, aos quais chamamos de

impurezas. Tais impurezas, propositadamente adicionadas ao cristal, têm uma

concentração de cerca de um átomo par cada 1.000.000 átomos do material

semicondutor. Este processo tem o nome de dopagem, termo proveniente da

palavra inglesa "Doping", (substância estimulante, excitante, muito usada nos meios

desportivos).

Quando são adicionadas impurezas a um cristal puro, este passa a ser impuro,

sendo denominado, então, semicondutor extrínseco. Por extrínseco compreendemos

que as características elétricas do cristal se devem às impurezas a ele adicionadas,

e não aos caracteres do próprio material.

Por que, no início, o cristal é submetido a um rigoroso processo de purificação

se, logo em seguida, são adicionadas impurezas? A resposta é simples: As

impurezas eliminadas inicialmente eram indesejáveis, porque não sabíamos o tipo e

a quantidade das mesmas, não apresentando o cristal nenhuma aplicação útil.

Contudo, após o processo de purificação, as impurezas adicionadas são do tipo

conhecido e de quantidade bem detalhada, o que permite a fabricação de cristais

semicondutores com características, para as mais diversas aplicações.

As impurezas utilizadas na "dopagem" de um cristal semicondutor podem ser de

dois tipos: impurezas doadoras e impurezas aceitadoras.

8. Semicondutor Intrínseco . .

O termo cristais semicondutores puros e uma verdade teórica, na prática não se

conseguem purezas absolutas (100%). .

O Silício e o Germânio são encontrados na própria Natureza, O Germânio é

obtido de um pó branco, o Dióxido de Germânio, e o Silício são extraídos do Óxido

de Silício. Aquecendo-se o Dióxido de Germânio durante algumas horas, em uma

atmosfera de Hidrogênio, obtém-se o Germânio metálico, já bastante puro, sob o

15

ponto de vista químico. .

Entretanto, para a fabricação de dispositivos semicondutores, exige-se um grau

de pureza extremamente elevado (da ordem de 99,99999999%), que equivale a um

grama de impurezas, no máximo, em cada 10.000 toneladas de material

semicondutor. Portanto, quando nos referimos a um material semicondutor, estamos

supondo que as impurezas contidas no cristal praticamente não interferem em seu

comportamento elétrico. A esse tipo de semicondutor, em que as impurezas nele

existentes são apenas as que não puderam ser eliminadas durante o processo de

purificação do cristal, damos o nome de semicondutor intrínseco. Este termo

significa que as características elétricas do cristal são devidas ao próprio material

semicondutor, e não às suas impurezas.

9. Formação dos elementos tipo P e N

Devido a tendência de transformar-se em uma estrutura simétrica, um material

semicondutor quase não possui elétrons livres. Para se utilizar efetivamente os

materiais semicondutores, são introduzidos elementos adicionais, nas estruturas

cristalinas denominadas “impurezas”, através de processos de injeção ou difusão.

Estas impurezas são elementos cujos átomos possuem três ou cinco elétrons na

camada de valência. Estas impurezas são introduzidas dentro do material

semicondutor em pequenas quantidades.

A tendência de formar uma estrutura simétrica faz com que os átomos de

“impurezas” se acomodem de tal maneira que produzam elétrons livres, portanto que

podem ser deslocados com facilidade (o quinto elétron de cada átomo da impureza).

Ou a falta de elétrons no caso da adição de elementos com três elétrons na última

camada.

9.1 Formação do material tipo P

Se a dopagem do cristal nós, ao invés de utilizar um elemento com 5 elétrons

na sua camada de valência, utilizar-se um elemento com 3 elétrons na sua camada

de valência, como o índio, boro ou gálio, irá formar um outro tipo de material

semicondutor.

Utilizando-se o índio como impureza, na mesma proporção que foi usada com o

antimônio (um para dez milhões de átomos de silício ou germânio), o índio vai

16

formar ligações covalentes com os quatro átomos vizinhos do silício ou do germânio.

O átomo de índio vai aceitar os quatro elétrons dos átomos vizinhos, mas pode doar

apenas os três elétrons da sua camada de Valencia. Dessa forma, três pares de

elétrons são completados, formando ligações covalentes. A quarta ligação vai ficar

incompleta, apenas com um elétron, fornecido pelo silício ou o germânio. A falta

desse elétron nesta ligação é chamada de buracão ou lacuna. Atua como uma carga

elétrica positiva, atraindo qualquer elétron que esteja por perto, para completar a sua

ligação. Por esta razão, o índio é chamado de receptor. O cristal é do tipo P,

representando a carga elétrica provocada pelo buraco.

Índio como impureza

Figura 02 : Impurezas no material tipo P

Fonte : Instituto Padre Reus

O elétron do silício que não forma ligação covalente com o índio por sua vez,

estará preso ao núcleo do silício apenas pela atração iônica, e pela agitação térmica

pode se liberar e sair da sua órbita, circulando por dentro da estrutura cristalina, e

preenchendo um buraco. Sempre que um elétron se liberta do seu átomo, deixa

outro buraco, e o resultado disso será um movimento desordenado de buracos

dentro do material. Dizemos, então, que um material do tipo P tem buracos livres,

assim como a matéria do tipo N tem elétrons livres.

Sempre que um elétron completa a quarta ligação do átomo de índio, ele se

torna um íon negativo. Pela agitação térmica, que ocorre já em temperaturas

normais, um cristal do tipo P possui buracos livres e íons negativos.

17

Átomo de Índio (neutro) Íon de índio (negativo)

Figura 03: Demonstração de íons negativos.

Fonte : Instituto Padre Reus.

Aplicando-se um potencial elétrico num cristal do tipo P, haverá uma corrente

de buracos dentro da estrutura cristalina do material.Os elétrons de valência também

estão se movendo mas sempre que um elétron abandona a órbita do silício ou do

germânio, provoca outro buraco, e como existem mais buracos que elétrons,

chamamos aos buracos de portadores majoritários de corrente em um material do

tipo P. Os íons negativos não podem se mover porque pertencem à estrutura

cristalina.

Figura 04: Demonstração da corrente de buracos

Fonte: Instituto Padre Reus.

Durante a circulação da corrente, poderá ocorrer que um buraco venha a

neutralizar um íon negativo, enquanto que mais próximo do terminal positivo, um

átomo adquire um elétron, se tornando um íon negativo. A impressão que se tem é

que os íons estão se dirigindo para uma direção oposta ao fluxo de buracos, mas

18

numa proporção muito menor, porque o número de átomos de silício ou germânio e

muito maior do que os átomos das impurezas. Dessa forma, a maioria dos buracos

atravessa o cristal sem anular um íon negativo. Tais íons são imóveis.

Figura 05: Demonstração transferência de cargas

Fonte : Instituto Padre Reus.

9.2 Formação do elemento tipo N

Um dos processos de dopagem do material consiste em usar elementos que

contenham cinco elétrons na sua camada de Valência, como o antimônio ou o

arsênio. São colocados na estrutura cristalina do silício ou do germânio na

proporção de um para cada dez milhões de átomos.

Usando-se como impureza o antimônio (Sb) durante o processo de fabricação

do semicondutor, o antimônio é forçado a participar das ligações covalentes do

silício ou germânio, doando quatro elétrons para os átomos que estão ao seu lado.

Os átomos vizinhos vão ficar completos com esses 4 átomos de antimônio e estes

elétrons estarão firmemente presos.O quinto elétron do antimônio, não pertencendo

à estrutura cristalina, é preso ao núcleo do antimônio apenas pela força iônica.Mas

mesmo à temperatura ambiental normal, a agitação térmica (que é o movimento

19

desordenado do elétron provocado pelo calor) vai fornecer energia cinética a este

elétron suficiente para que se liberte do seu núcleo e fique vagando, completamente

sem destino, dentro da estrutura cristalina do material.Este elétron e chamado de

elétron livre.Este cristal é chamado do tipo N, representando a carga negativa do

elétron livre. O antimônio é chamado de elemento doador de impureza.

Figura 06: Demonstração formação do elemento N

Fonte : Instituto Padre Reus.

O átomo de antimônio possuindo mesmo número de prótons e elétrons é neutro

eletricamente. No momento em que o elétron que não esta participando das ligações

covalentes se liberta, pela agitação térmica, o antimônio fica com uma carga positiva

em excesso.

Dessa forma diz-se, então que o antimônio é um íon positivo. Ao cristal

contendo íons, dizemos que está ionizado. Então, dentro de um cristal do tipo N, nós

vamos ter íons positivos e elétrons livres.

Quando aplicamos uma tensão num cristal do tipo N, os elétrons livres

presentes na estrutura do cristal vão permitir o fluxo de uma corrente elétrica. Aos

elétrons livres chamamos de portadores majoritários da corrente elétrica, num cristal

do tipo N. Observe que os íons positivos não podem mover-se porque fazem parte

da estrutura cristalina do material.

20

Figura 07: Demonstração dos íons positivos

Fonte : Instituto Padre Reus.

Durante o fluxo de elétrons dentro do material do tipo N, devido á tensão

elétrica aplicada, pode ocorrer que um dos elétrons venha a voltar para a sua

posição original dentro do átomo de antimônio, anulando o íon positivo representado

pelo antimônio desfalcado de um elétron. O efeito é de que os íons parecem estar se

deslocando dentro da estrutura cristalina no sentido oposto ao do fluxo de elétrons.

O deslocamento de íons, que na verdade não existe, é muito pequeno, porque o

cristal apresenta apenas um íon para cada dez milhões de átomos de silício ou

germânio, é por esta razão que a maioria dos elétrons passa pelo cristal sem

encontrar e anular os íons positivos. Os íons nesse caso não se movem. Eles

podem parecer se mover devido ao efeito de um elétron anular um íon, e ser criado

outro íon dentro da estrutura do material, parecendo deste modo fluir, em sentido

contrário aos dos elétrons.

21

Figura 08: Trajetória de elétron e aparente do íon.

Fonte : Instituto Padre Reus.

10. Conceito de lacuna ou vacância

Lacunas referem-se a estados da banda de valência vazios, não preenchidos

por elétrons. Elas são também chamadas por buracos ou “holes” em Inglês. A

lacuna pode ser tratada como uma partícula de carga positiva, e que esta sua

característica deve-se ao comportamento estranho dos demais elétrons da banda de

valência onde se encontra a lacuna. Na realidade a lacuna não existe como partícula

ou como entidade isolada, mas ela é uma conseqüência do movimento de elétrons

num potencial periódico. Assim, a lacuna livre não existe. Não é possível criar um

canhão de lacunas como existe para elétrons. Lacunas resultam de um artifício

matemático. Quando um elétron adquire energia suficiente para passar da banda

de valência para a banda de condução, ele deixa atrás de si um estado vacante no

topo da banda de valência (novamente devemos lembrar que isto significa que um

elétron foi arrancado de uma ligação, e a falta desse elétron produz esse estado

vacante). Esta lacuna pode ser ocupada por um elétron de um estado próximo (ou

seja, o elétron de uma ligação vizinha), já que pouca energia é requerida para essa

transição. Dessa maneira, tudo se passa como se a lacuna se movesse dentro do

cristal na banda de valência do mesmo modo como o elétron na banda de condução.

Na verdade, muitos elétrons são envolvidos no movimento de uma única lacuna,

porém, ao invés de considerarmos o comportamento dos elétrons consideraremos o

da lacuna.

As lacunas comportam-se como as partículas com carga igual em magnitude a

do elétron, porém, de sinal oposto. Sob a ação de um campo elétrico, elas movem-

se na direção oposta àquela dos elétrons. O mecanismo qualitativo pelo qual a

22

lacuna contribui para a condutividade é o seguinte: quando uma ligação é

incompleta (tal que existe uma lacuna) é relativamente fácil de ser preenchida por

um elétron de valência que deixa uma ligação covalente de um átomo vizinho, este

elétron ao sair da ligação covalente, deixa outra lacuna. Esta lacuna, nesta nova

posição, pode agora ser preenchida por um elétron oriundo de outra ligação

covalente, e a lacuna se moverá na direção oposta ao movimento do elétron. Assim,

efetivamente, a lacuna se move na direção oposta à direção do elétron. Temos

assim, um mecanismo de condução de eletricidade que não envolve elétrons livres.

transporte de carga positiva. Portanto, para o fluxo de portadores, a lacuna

comporta-se como uma carga positiva, igual em magnitude à da carga do elétron.

Podemos então considerar, que as lacunas são entidades físicas cujo movimento

constitui uma corrente elétrica.

As propriedades das lacunas podem ser resumidas:

a) Comportam-se como partículas de igual carga àquela do elétron, porém de sinal

oposto;

b) Sob a ação de um campo E, se movem a favor do campo elétrico (direção oposta

a dos elétrons);

c) Existem só no topo da banda de valência, enquanto que os elétrons se movem

em sentido contrário com energia no pé da banda de condução.

Entretanto, não devemos esquecer que, fisicamente, somente os elétrons se

movem na direção oposta ao campo. Um grupo deles, livres, e outro grupo, preso

pelas ligações químicas, saltando de lacuna em lacuna disponível. Temos assim,

dois processos de condução distintos, e como veremos isto resultará em mobilidade

diferente para cada um deles.

11. Mecanismo de condução nos semicondutores

Consideremos um semicondutor com certa população de elétrons na banda de

condução. Essa população depende, logicamente, da impureza existente no material

e da temperatura. Esses elétrons ocupam os níveis mais baixos da banda de

condução, sujeito às condições restritivas de que não mais de dois elétrons podem

ocupar o mesmo nível simultaneamente. Tal restrição na realidade não tem sentido

prático, como analisaremos a seguir. Suponhamos que essa população de elétrons

23

seja de 10²² elétrons/m3. Eles se encontram nos estados permitidos de energia

localizados numa faixa de aproximadamente 0,04 eV (3/2 kT a 300 K) de energia a

partir do extremo inferior da banda. Porém, nessa faixa de energia, existem níveis

suficientes para acomodar 104 vezes esse número de elétrons. Deste modo, os

elétrons presentes na banda de condução têm um número muito grande de níveis

desocupados para os quais podem se transferir, quando suas energias forem

modificadas por um campo elétrico aplicado. Muito raramente a ação de um elétron

ficará limitada pela presença dos demais. O mesmo raciocínio é válido para a

população de lacunas na banda de valência do material. Entretanto, nesse caso a

faixa de energia ocupada é medida no sentido descendente, iniciando no topo da

banda de valência e terminando em torno de 0,04 eV abaixo desse topo.Podemos,

então, considerar esses elétrons e essas lacunas como praticamente livres no

material. São esses portadores os responsáveis pelo transporte de corrente no

semicondutor quando sujeito a um campo elétrico, e, portanto, que determinam a

condutividade do material a uma dada temperatura.

12. Mobilidade de carga em semicondutores

Um semicondutor tem transportadores de carga negativos e positivos. Os

elétrons que saltam para a banda de condução são transportadores do tipo negativo

e a condutividade, que eles produzem depende de sua mobilidade através da BC do

semicondutor. Os buracos (lacunas) eletrônicos que são formados na banda de

valência são transportadores do tipo positivo. A condutividade por eles produzida

depende da sua mobilidade através da BV do semicondutor.

A mobilidade de deslocamento sendo a relação entre a velocidade de

deslocamento por unidade de campo elétrico. Esta grandeza fornece uma medida da

maior ou menor facilidade com que o elétron pode deslocar-se através de um dado

material e depende da T e do tipo de impureza presente nesse material (depende da

natureza do processo de espalhamento).

13. Portadores majoritários e portadores minoritári os . . .

Num cristal semicondutor puro (cristal intrínseco) à temperatura ambiente,

aparecerão elétrons e lacunas livres em igual número, devido à geração térmica de

portadores. Suponhamos que existam 100 pares de electrões-lacunas (100 elétrons

24

e 100 lacunas livres), e que sejam adicionados átomos pentavalentes (1.000, por

exemplo). Como as impurezas doadoras (átomos pentavalentes) fazem aparecer

elétrons livres no interior do cristal, cada átomo de impureza doadora contribuindo

com um elétron, teremos então 1000 electrões livres, devido a tais impurezas. O

cristal N, assim formado terá 100 lacunas e 1.100 elétrons livres, na temperatura de

20ºC, como portadores de corrente elétrica. Notaremos, então, que teremos dois

tipos de portadores nesse cristal. Entretanto, devido ao fato de termos adicionado

impurezas doadoras, fizemos com que a maior parte dos portadores se

transformassem em elétrons. Desta forma, num cristal semicondutor tipo N, os

elétrons são portadores em maioria ou portadores majoritários de corrente elétrica.

As lacunas, por sua vez, são portadores em minoria ou portadores minoritários de

corrente elétrica. .

Se no cristal intrínseco forem adicionados átomos trivalentes (1.000, por

exemplo), cada um desses átomos (impureza aceitadora) contribuirá com uma

lacuna; teremos, então, 1.000 lacunas livres provocadas por tais impurezas. O cristal

tipo P, assim formado, terá 100 elétrons e 1.100 lacunas livres como portadores da

corrente elétrica, à temperatura de 20ºC. Assim sendo no cristal P os portadores

majoritários são lacunas, pois estão em rnaioria é os portadores minoritários são os

elétrons, que constituem a minoria.

Para finalizar, suponhamos que o cristal tipo N ou o tipo P sejam submetidos à

temperatura de zero grau absoluto (-273ºC). Quando os 100 elétrons e as 100

lacunas, gerados termicamente, irão desaparecer (fenômeno da recombinação),

ficando apenas os 1.000 electrões livres e as 1.000 lacunas produzidas pelas

impurezas. Isto permite concluir que, enquanto o cristal puro (intrínseco) é um

isolante perfeito, à temperatura de -273ºC, o cristal impuro (extrínseco) não

apresenta esse isolamento à mesma temperatura.

14. Movimento dos elétrons e das lacunas nos semico ndutores dopados .

Vimos que no cristal puro, quando submetidos a uma diferença de potencial

(tensão elétrica), os elétrons e as lacunas livres se movimentam em sentido

contrário, e que, nesse cristal, o número de lacunas á igual ao numero de elétrons

livres. Nos cristais semicondutores dopados (tipos N e P), os elétrons e as lacunas

também se movimentam em sentido contrário.

25

Num cristal tipo N, o fluxo de elétrons será muito mais intenso que o fluxo de

lacunas (figura “A” e “B”), porque o número de elétrons livres (portadores

majoritários) é muito maior que o número de lacunas livres (portadores minoritários).

Entretanto, num cristal tipo P, onde o número de lacunas (portadores majoritários) á

maior que o número de eletrons livres (portadores minoritários), o fluxo de lacunas

será muito mais intenso que o de electrões livres (figuras C e D).

Figura 09 : Movimento dos eletrons e das lacunas nos semicondutores

Fonte : Alchemist Engenharia

Em ambos os casos, á evidente que a corrente elétrica 1, pelo circuito elétrico,

será formada apenas por electrões. Na realidade, um fluxo de lacunas da direita

para a esquerda equivale a um fluxo de electrões da esquerda para a direita, do

mesmo modo que um fluxo de lacunas da esquerda para a direita cor responde a um

fluxo de eletrons da direita para a esquerda. Desta forma, as correntes de lacunas e

eletrons somam-se no interior do cristal, produzindo a corrente externa 1.

15. Difusão

Imagine uma gota de tinta sendo colocada em um copo com água. O que

acontecerá? A tinta irá se difundir pela água em uma tentativa de uniformizar a

concentração. Esse fenômeno de difusão é usado para explicar a corrente em uma

26

junção PN. Quando existir uma diferença de concentração de portadores entre dois

pontos de um condutor, esses portadores se deslocarão entre os dois pontos

fazendo aparecer uma corrente chamada de corrente de difusão.

16. Junção PN

É obtida conectando, de forma adequada, material P ao material N. Como

existe uma diferença de concentração de portadores de ambos os lados da junção,

inicialmente haverá uma difusão de elétrons livres do lado N indo para o lado P e

ao mesmo tempo lacunas se difundirão do lado P para o lado N. A conseqüência

disso é que do lado N aparecerão íons positivos não neutralizados e do lado P íons

negativos não neutralizados fazendo aparecer uma região que não tem cargas

livres, por isso é chamada de região de depleção.

Essa distribuição de cargas cria uma barreira a qual se oporá à difusão de mais

portadores majoritários lacunas no lado P e elétrons livres no lado N. Essa corrente

é representada por IDifusão. ..

Caso algum portador minoritário (aqueles gerados pela temperatura), elétron

livre do lado P ou lacuna do lado N, se aproxime desta região, serão acelerados

pelo campo ai existente e passará para a outra região. Esse fluxo é representado na

figura abaixo por IDeriva. Na figura a seguir, após o equilíbrio, a soma das correntes

através da junção é zero. Isto é, IDeriva= IDifusão .

27

Figura 10: Junção PN em aberto mostrando as duas correntes (difusão e de deriva).

Fonte : Facstaff

16.1 Junção PN com Polarização Reversa

Quando for aplicada uma tensão com a polaridade indicada na figura 11, a

largura da região de depleção aumentará. Aumentado a altura da barreira de

potencial dificultando mais ainda a passagem dos portadores majoritários de um

lado da junção para o outro. A única corrente existente é a corrente devido aos

portadores minoritários os quais dependem unicamente da temperatura, desta

forma esta corrente também chamada de corrente reversa de saturação (Is) só

dependerá da temperatura sendo da ordem de nA (Si) ou uA (Ge). Observe que

essa corrente é ajudada pelo campo elétrico que se estabelece na região de carga

espacial.

Figura 11: Junção PN com polarização reversa

Fonte : Facstaff

16.2 Junção PN com Polarização Direta

Quando for aplicada uma tensão com a polaridade indicada na figura 12, a

largura da região de depleção diminuirá, diminuindo a altura da barreira de potencial

facilitando o deslocamento dos portadores majoritários de um lado da junção para o

outro. Inicialmente toda a tensão estará aplicada diretamente na região da junção,

28

baixando a barreira de potencial, e a queda de tensão no material N e P é

desprezível. A corrente é controlada pela variação da altura da barreira.

A medida que a corrente aumenta, a tensão externa se distribui entre o

material e a barreira. A partir desse ponto a corrente passa a ser controlada pela

resistência direta do material (a corrente no diodo passa a ter um comportamento

aproximadamente linear com a tensão). Colocando adequadamente terminais de

contato em ambas as extremidades teremos um componente chamado de diodo de

junção. Para limitar a corrente no circuito é necessário colocar em serie com o diodo

uma resistência ôhmica, caso contrário a corrente pode aumentar em demasia

destruindo o componente por efeito Joule. .

A corrente só aumentará efetivamente quando a tensão aplicada entre os

terminais exceder aproximadamente de 0,6V a 0,7V (para diodo de Si), é quando a

barreira de potencial será vencida.

Figura 12: Junção PN com polarização direta

Fonte : Facstaff

Observe que a corrente total através da junção (I) será constituída de duas

componentes, a corrente de saturação mais a corrente de difusão, sendo que a de

difusão é muito maior que a de saturação. Desta forma:

I= ID - IS = ID

A equação da corrente através da junção é dada por:

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Onde Is é a corrente reversa de saturação, V é a tensão aplicada na junção, n vale

aproximadamente 1 para Ge e 2 para Si e VT é uma constante que depende da

temperatura valendo 26mV na temperatura ambiente (T=300 Kelvin).

Se V for positivo e muito maior que 26 mV, o diodo estará polarizado diretamente.

Se V for negativo e muito maior que 26 mV (em modulo) o diodo estará polarizado

17. Aplicações dos Materiais Semicondutores

O semicondutor é um material-chave na indústria eletrônica. Os dispositivos

que utilizam o semicondutor são hoje utilizados em todo tipo de circuitos.

Os dispositivos semicondutores mais comuns são o diodo, o transistor e os

dispositivos fotossensíveis, conforme discriminamos abaixo:

• Diodo semicondutor: é formado pela junção p e n e tem como utilidade básica

permitir o fluxo de corrente elétrica apenas em um sentido (o sentido de

polarização direta)

• Transistor: é formado pela inserção de um semicondutor tipo p entre dois

semicondutores tipo n ou vice-versa. O material do meio é chamado base e

os outros, emissor e coletor. O transistor funciona basicamente como um

amplificador de corrente se esta for alta (ligeiramente alta) ou como um

interruptor de corrente se esta for próxima de zero.

• Dispositivos fotossensíveis: dividem-se em Células fotocondutivas:

fotoresistores, fotodiodos e fototransistores; e Células fotovoltaicas.

As Células fotocondutivas funcionam da seguinte forma: Quando um fluxo

luminoso incide sobre o material semicondutor, os fótons podem fornecer aos

elétrons energia suficiente para produzir a ruptura de ligações covalentes. A ação

dos fótons ocasiona a produção de par elétron-lacuna, o que provoca um aumento

da condutividade do semicondutor. Esse fenômeno é conhecido como

fotocondutividade.

30

Quanto às Células fotovoltaicas, conforme o nome indica, tais células produzem

uma tensão elétrica quando submetidas à ação de um fluxo luminoso. Sua utilidade

se estende na busca por energia alternativa.

Microeletrônica: O advento da Microeletrônica foi um dos mais notáveis

avanços tecnológicos no campo da eletrônica, sendo fundamentalmente oriunda das

necessidades inerentes ao programa espacial americano com relação a peso,

dimensões, potência consumida e confiabilidade. As restrições impostas nestes

casos eram impossíveis de serem satisfeitas com os circuitos convencionais, usando

componentes discretos.

Um dos setores da Microeletrônica é responsável pelos Circuitos Integrados

(CIs). Os circuitos integrados ou chips são uma fina pastilha de silício, onde estão

agrupados circuitos microscópicos que podem conter milhões de componentes

eletrônicos como resistores, capacitores, transistores, etc.

18. Dispositivo semicondutor

São componentes eletrônicos que exploram as propriedades eletrônicas de

materiais semicondutores, principalmente silício, germânio, e arseneto de gálio,

assim como semicondutores orgânicos. Dispositivos semicondutores tem substituído

dispisitivos termiônicos (tubos de vácuo) na maioria das aplicações. Eles usam

condução no estado sólido em oposição ao estado gasoso ou emissão termiônica no

alto vácuo.

Dispositivos semicondutores são manufaturados tanto em dispositivos únicos

disccretos como em circuitos integrados (CIs), os quais consistem de um número

variando de uns poucos (tão baixo quanto dois) a bilhões de dispositivos fabricados

e interconectados sobre um substrato semicondutor único.

A principal razão porque materiais semicondutores são tão úteis é que o

comportamento de um semicondutor pode ser facilmente manipulado pela adição de

impurezas, o que é conhecido como "dopagem (a adição de um "dopante"). A

31

condutividade de semicondutores pode ser controlada pela introdução de um campo

elétrico, pela exposição à luz, e também pressão e calor; então, semicondutores

podem produzir excelentes sensores. A condução de corrente em um semicondutor

ocorre via elétrons móveis ou "livres" e buracos electrónicos, coletivamente

conhecidos como portadores de carga.

19. Diodos

Os diodos são diferentes e úteis componentes elétricos. Os diodos são usados em

muitas aplicações, como a seguir.

• Convertendo energia AC a partir da linha de 60Hz em energia CC para

rádios, televisores, máquinas de atendimento telefônico, computadores e muitos

outros aparelhos eletrônicos.

• A conversão de sinais de radiofreqüência em sinais sonoros em rádios.

Os Diodos têm as seguintes características.

• Os diodos são dois aparelhos de terminal, como resistores e capacitores.

Eles não têm muitos terminais como transistores ou circuitos integrados.

• Em diodos atuais está diretamente relacionada à tensão, como em um

resistor. Eles não são como condensadores onde a corrente está relacionada com o

tempo de derivados de tensão ou indutores onde a derivada da corrente está

relacionada com a tensão.

• Nos diodos a corrente não está linearmente relacionada à tensão, como em

um resistor.

• Diodos só consomem energia. Eles não produzem energia como uma

bateria. Eles são considerados dispositivos passivos.

• Os diodos são não-lineares, dois terminais, dispositivos elétricos passivos.

Em geral, os diodos tendem a permitir o fluxo de corrente em uma direção, mas

tendem a inibir o fluxo de corrente na direção oposta. O gráfico abaixo mostra como

o atual pode depender da tensão de um diodo.

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Figura 13 : Curva tensão e corrente no diodo.

Fonte: Facstaff

Observe o seguinte.

Quando a tensão sobre o diodo é positivo, uma grande quantidade de corrente

pode fluir uma vez que a tensão se torna grande o suficiente.

• Quando a tensão sobre o diodo é negativo, praticamente nenhuma corrente

flui.

O símbolo de circuito de um diodo é projetado para lembrar que a corrente flui

facilmente através de um diodo em uma direção. O símbolo de circuito de um diodo

é mostrada abaixo, juntamente com as convenções comuns para a corrente através

do diodo e a tensão através do diodo.

Figura 14: Sentido de fluxo de corrente no diodo

Fonte : Facstaff

33

Os diodos:

• Deixam uma grande quantidade de fluxo de corrente através deles,

• Às vezes, eles dificilmente permitem qualquer fluxo de corrente através

deles.

Esse comportamento nos dá uma maneira de pensar o que acontece nos

circuitos de diodos.

Nós vamos adotar um modelo simplificado para o diodo. Em vez da tensão de

corrente curva real para o diodo mostrado na mais leve, vermelho fino, linha curva

abaixo, vamos imaginar que o diodo tem a curva de tensão de corrente mostrado no

mais espesso, escuro linhas vermelhas abaixo.

Figura 15: Curva de tensão e corrente no diodo

Fonte : Facstaff

A tensão de corrente da curva aproximada nos dá uma maneira de analisar circuitos

que contêm diodos, e ter em conta o seu comportamento esquizofrênico.

• Quando a corrente está fluindo, este modelo prevê aproximado sem tensão

através do diodo. Nesta situação, dizemos que o diodo está ligado.

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• Quando a tensão sobre o diodo é negativa, este modelo aproximado prevê

nenhuma corrente flui através do diodo. Nesta situação, dizemos que o diodo é

OFF.

Agora, considera este tipo de modelo simplificado para o diodo.

• Quando o diodo é ligado, ele não tem voltagem, assim que age como um

curto-circuito! Quando o diodo é ligado, a corrente através do diodo é positivo, e a

tensão sobre o diodo é zero.

• Quando o diodo está desligado, a corrente é zero, portanto, ele age como

um circuito aberto. Quando o diodo está desligado, a tensão sobre o diodo é

negativa, a corrente através do diodo é zero.

Este modelo para o diodo é muitas vezes referido como o modelo de diodo ideal.

19.1 Diodos retificadores

A estrutura das cápsulas destes diodos depende, assim como a área de sua

junção, da potência que eles devem dissipar e da corrente que devem conduzir.

Para os de baixa e média potência (até o valor Máximo de 1 watt), usam-se cápsulas

de plástico.Os que tem potenciais superiores a esse valor exigem cápsulas

metálicas. No caso de potenciais muito elevadas, essas cápsulas devem ser

construídas de maneira a permitir a montagem do diodo em um dissipador de calor

com um sistema de fixação por parafuso ou por pressão.

Em alguns circuitos de alimentação usam-se como alternativa para a ponte os

circuitos de retificação de onda completa. Esses circuitos aproveitam os dois

semiciclos (positivo e negativo) da tensão alternada aplicada na entrada.

Os retificadores em ponte monofásicos são formados por quatro diodos ligados

entre si de modo que ficam com dois terminais de entrada para a tensão alternada e

com dois terminais de saída para a tensão retificada. Naturalmente, um dos dois

terminais é positivo e outro, negativo.

35

Como a procura de retificadores em ponte tornou-se bastante grande, os

fabricantes resolveram oferecer aos consumidores esse tipo de montagem já pronto,

ligando os quatro diodos e envolvendo-os em uma cápsula, como se fossem um

único componente: a ponte retificadora.

Em razão disso, há no mercado vários tipos de pontes. Elas se diferenciam

pela intensidade máxima de corrente dos diodos que as compõem e,

conseqüentemente, pela menor ou maior potência dissipada, como ocorre com os

diodos isoladamente.

19.2 Diodos de sinais

Os diodos para sinais são utilizados para o tratamento dos sinais comuns num

circuito. Também podem ser empregados na elaboração de sinais digitais. Os

diodos para sinais são normalmente de baixa potência.

19.3 Diodos de comutação

Os diodos de comutação – diodos rápidos – distinguem-se pela capacidade de

trabalhar com sinais digitais utilizados em circuitos lógicos. O parâmetro que

caracteriza estes diodos é o tempo de comutação. Ele depende do atraso que um

junção P-N estabelece quando está conduzindo corrente.

São considerados rápidos os diodos com tempo de comutação inferior a 100

nanosegundos, nos modelos de media e alta potência. Nos de baixa potência, o

tempo de comutação deve ser da ordem de 1 nanossegundo. Para que eles sejam

considerados rápidos.

19.4 Diodos de alta freqüência

Os diodos de alta são usados nos circuitos que trabalham com freqüências

superiores a 1 megahertz . Estes diodos diferenciam-se dos demais por

apresentarem uma baixa capacitância de difusão ente às duas regiões

semicondutoras de uma junção P-N, quando estão polarizados no sentido de

condução.

36

19.5 Diodos estabilizadores de tensão

Os diodos estabilizadores de tensão, também chamados diodos Zener, são

usados para se obter, entre seus terminais, uma tensão constante e relativamente

independente da corrente que os atravessa.

37

20. Conclusão

Identificou-se nesse trabalho as principais propriedades dos elementos

semicondutores, bem como, as técnicas de dopagem para poder utilizar os

materiais. Os métodos de purificação e as suas principais aplicações.

Os semicondutores são elementos de suma importância para a eletrônica

digital bem como para a eletrotécnica, onde utilizamos em retificadores de corrente,

reguladores de tensões e muitas outras aplicações.

Contudo o foco de buscar o conhecimento sobre o comportamento de corrente

e tensão nos semicondutores, foi satisfatório. Esse esclarecimento define que os

materiais ou dispositivos semicondutores possuem características elétricas que

propiciam o controle de corrente e tensão, sendo que tais dissipam pequena

quantidade de calor, facilitando sua aplicação em larga escala.

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21. Referências

Disponível em:<http://www.foz.unioeste.br/~lamat/downmateriais/materiaiscap15.pdf >.Acesso em: 04. jun. 2011. Disponível em:<http://www.radioamadores.net/semicond.htm>.Acesso em: 04. jun. 2011. Disponível em: <http://www.facstaff.bucknell.edu/mastascu/elessonshtml/Diodes/Diode1.html >.Acesso em: 04. jun. 2011. Disponível em:< http://www.infoescola.com/fisica/semicondutores/ >.Acesso em: 04.

jun. 2011.

Disponível em:

<http://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/aulas/Aula002.htm

>.Acesso em: 5. jun. 2011.

Disponível em:<http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialsemicon/pagina_5.asp

>.Acesso em: 05. jun. 2011.

Disponível em: <

http://www.mundofisico.joinville.udesc.br/index.php?idSecao=110&idSubSecao=&idT

exto=49 >. Acesso em: 05. jun. 2011.

Reus , Padre; Instituto de aprendizagem , curso Radiotécnico e TV (P&B) e a cores.

V. 04. 2006.

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