O documento descreve a física dos semicondutores em uma aula sobre eletrônica 1. Cobre tópicos como a estrutura atômica de semicondutores, a formação de cristais semicondutores intrínsecos e extrínsecos, e a formação e polarização de diodos a partir da junção de materiais tipo P e tipo N.
1. ET74C – Eletrônica 1
Física dos Semicondutores
Prof. Dr. Daniel Flores Cortez (danielcortez@utfpr.edu.br)
25 de Fevereiro de 2016
2. ET74C – Eletrônica 1
Objetivo da Aula
Conhecer as características gerais dos materiais
semicondutores, compreender a condução de
corrente usando a teoria de elétrons e lacunas,
conhecer os materiais do tipo n e p.
2
4. ET74C – Eletrônica 1
Construção de Conhecimento
esperado
Adquirir conhecimentos sobre as características
fundamentais dos semicondutores aplicados a
construção de dispositivos eletrônicos.
4
5. ET74C – Eletrônica 1
Física dos semicondutores
Classificação dos materiais
5
Condutores: material capaz de sustentar um fluxo de
cargas elétrica quando submetido a uma diferença de
potencial;
Isolante: material capaz de oferecer resistência ao
fluxo de cargas elétrica quando submetido a uma
diferença de potencial;
Semicondutor: material que possui nível de
condutividade entre os extremos de um isolante.
6. ET74C – Eletrônica 1
Estrutura Atômica
Modelo Atômico de Bohr
6
• Elétrons orbitam o núcleo;
• Órbitas bem definidas.
7. ET74C – Eletrônica 1
Estrutura Atômica
Distinção atômica entre condutores e semicondutores
7
+29
Átomo de cobre
• Mat. condutores possuem
de 1 a 3 elétrons na
camada de Valencia (Ex:
cobre, prata, alumínio);
A camada mais importante para
condução é a última camada
(chamada de camada de Valencia). O
cobre é um bom condutor pode ele
Pode ceder facilmente este.
8. ET74C – Eletrônica 1
Estrutura Atômica
Distinção atômica entre condutores e semicondutores
8
• Mat. condutores possuem
de 1 a 3 elétrons na
camada de Valencia (Ex:
cobre, prata, alumínio);
+29
Átomo de cobre
+14
Átomo de Silício
• Mat. semicondutores
possuem de 4 elétrons na
camada de Valencia (Ex:
silício, germânio, carbono)
(Átomos tetravalentes);
9. ET74C – Eletrônica 1
Estrutura Atômica
Distinção atômica de isolantes
9
+18
Átomo de Argônio
(gás nobre)
• Mat. isolates possuem de 5
a 8 elétrons na camada de
Valencia (Ex: borracha,
vidro, mica);
10. ET74C – Eletrônica 1
Estrutura Atômica
10
+14
Átomo de Silício
+32
Átomo de Germânio
11. ET74C – Eletrônica 1
Estrutura Atômica
11
Si
Átomo de Silício Átomo de Germânio
Ge
Representados somente pela última camada
12. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
12
Si
Para formar uma estrutura estável é necessário
ter 8 elétrons na última camada
Cristal de silício puro
13. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
13
Si
O que acontece quando
juntamos átomos de
silício?
Cristal de silício
Si
Si
Si
Si
14. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
14
Si
Ocorre o compartilhamento de
elétrons (ligações covalentes)
para formar 8 elétrons na última
camada
Cristal de silício
Si
Si
Si
Si
15. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
15
Si
Ocorre o compartilhamento de
elétrons (ligações covalentes)
para formar 8 elétrons na última
camada
Cristal de silício
Si
Si
Si
Si
16. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
16
Si
Nessa condição o cristal passa
a ser um mau condutor a
temperatura ambiente e isolante
em baixas temperaturas
Cristal de silício
Si
Si
Si
Si
17. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Cristal de silício puro
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Estrutura cristalina do Si à
temperatura de 0 ºK (–273 ºC)
18. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
com o aumento da temperatura, a energia térmica fornecida
ao cristal provoca a “quebra” algumas ligações covalentes,
liberando, assim, elétrons livre. Os espaços vazios deixados
por causa de tais rompimentos se comportam como cargas
elétricas positivas, denominadas lacunas ou buracos
Si
Si
Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétron livre
Lacuna
Agitação
térmica
O número de elétrons livres é igual
ao número de lacunas
19. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada Placa carregada
Movimento relativo de lacunas (Recombinação)
Campo elétrico
20. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico
21. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico
22. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico
23. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico
24. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico
25. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico
26. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico
27. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Elétrons e lacunas movem em sentidos opostos
Campo elétrico
29. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
• Em condições normais o cristal de
silício é um isolante com pouca
utilidade elétrica.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
• A fim de alterar as características
elétricas são adicionas impurezas no
cristal. Esse processo é chamado de
dopagem
30. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Material do tipo N
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
São adicionados átomos
pentavalentes (cinco elétrons
na última camada). Ex:
Arsênio, Antimônio e
Fósforo
P
31. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Material do tipo N
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
São adicionados átomos
pentavalentes (cinco elétrons
na última camada). Ex:
Arsênio, Antimônio e
Fósforo
P
Elétron livre
32. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Material do tipo N
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
São adicionados átomos
pentavalentes (cinco elétrons
na última camada). Ex:
Arsênio, Antimônio e
Fósforo
P
Elétron livre
O importante dessa situação é
que não foi gerada nenhuma
lacuna
33. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Material do tipo N
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
P
Elétron livre
Si
Si
Si
P Si
Si
Si
P
Elétron livre
Os elétrons livres são chamados de portadores majoritários;
As lacunas são chamadas de portadores minoritários.
lacuna*
* Gerada por agitação térmica
35. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Material do tipo P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
São adicionados átomos
trivalentes (três elétrons na
última camada). Ex: Boro,
Alumínio
B
36. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Material do tipo P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
B
Lacuna
São adicionados átomos
trivalentes (três elétrons na
última camada). Ex: Boro,
Alumínio
37. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Material do tipo P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
B
Lacuna
Si
Si
Si
B Si
Si
Si
B
Lacuna Lacuna
Os lacunas são chamados de portadores majoritários;
As elétrons livres são chamadas de portadores minoritários.
Elétron livre*
Lacuna
* Gerado por agitação térmica
38. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Formação da junção PN
As lacunas no material tipo P serão representadas pelo
sinal +. Os elétrons livres serão representados pelo sinal -
Os elétrons livres no material tipo N serão representadas
pelo sinal -. As lacunas serão representadas pelo sinal +
+
-
_
+
Tipo P
Tipo N
39. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Formação da junção PN
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Material tipo P Material tipo N
O que acontece quando os dois materiais são unidos?
_
_
_
_
+
+
+
+
+
Portadores majoritários
Portadores minoritários
Portadores majoritários
Portadores minoritários
40. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Formação da junção PN
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Material tipo P Material tipo N
As lacunas nas bordas do material tipo P tendem a serem
preenchidas pelos elétrons livres da material tipo N
+
+
-
-
_
_
_
_
+
+
+
+
+
41. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Formação da junção PN
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Material tipo P Material tipo N
As lacunas nas bordas do material tipo P tendem a serem
preenchidas pelos elétrons livres da material tipo N
+
+
-
-
Si
B
Si
Si
Si
P
Si
Si
_
_
_
_
+
+
42. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Formação da junção PN
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Material tipo P Material tipo N
Consequência: forma-se uma região estável (isolante, 8
elétrons na última camada) na junção.
+
+
-
-
Si
B
Si
Si
Si
P
Si
Si
Processo de recombinação
43. ET74C – Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Camada de depleção
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
A junção PN é chamada de diodo, componente
fundamental da eletrônica
O processo de deslocamento das cargas é chamado de
DIFISÃO
+
+
-
-
-
-
-
0,7 V - Si
0,3 V - Ge
_
_
_
_
+
+
+
+
+
44. ET74C – Eletrônica 1
Polarização do diodo
Camada de depleção
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
Polarização reversa
+
+
-
E
_
_
_
_
+
+
+
+
+
Tipo P Tipo N
45. ET74C – Eletrônica 1
Polarização do diodo
Camada de depleção
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
Polarização reversa
+
+
-
E
-
_
_
_
_
+
+
+
+
+
Tipo P Tipo N
46. ET74C – Eletrônica 1
Polarização do diodo
Suje uma pequena corrente devido ao fluxo de portadores minoritário,
chamado de corrente reversa ou saturação (is), ordem de nA a uA.
+ +
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
Polarização reversa
+
+
-
E
-
Camada de depleção
_
_
_
_
+
+
+
+
is
Tipo P Tipo N
47. ET74C – Eletrônica 1
Polarização do diodo
Camada de depleção
+ +
+
+
+ +
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
Polarização direta
-
+
+
-
E<0,7V
Os portadores majoritários não possuem energia suficiente para
atravessar a camada de depleção
Tipo P Tipo N
48. ET74C – Eletrônica 1
Polarização do diodo
Camada de depleção
+ +
+
+
+ +
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
Polarização direta
-
+
+
-
E>0,7V
Os portadores majoritários adquirem energia suficiente para atravessar a camada
de depleção, permitindo o fluxo de corrente
id>0
_
_
_
_
+
+
+
+
49. ET74C – Eletrônica 1
Recapitulando....
A corrente circula facilmente num diodo de silício com
polarização direta. Em outras palavras, se a fonte de tensão
for maior que 0,7 V (Si),um diodo de silício produz uma
corrente incessante no sentido direto.
A corrente reversa total num diodo consiste de uma
corrente de portadores minoritários (muito pequena e que
depende da temperatura). Em muitas aplicações, a corrente
reversa num diodo de silício é aproximadamente zero;
Portanto, o diodo somente permite (idealmente) o
fluxo de corrente em apenas um sentido.
50. ET74C – Eletrônica 1
Símbolo do diodo
P K
Anodo Catodo
Anodo Catodo
Ânion: átomo que recebe elétrons e fica carregado
negativamente
Cátion: átomo que perde elétrons e adquire carga positiva
52. ET74C – Eletrônica 1
Referências Utilizadas
BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e
teoria de circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson education do Brasil,
2013.
Pinto, L. F. Teixeira; Albuquerque R. O. Eletrônica: Eletrônica
analógica. São Paulo: Fundação Padre Anchieta, 2011, Vol. 2.
MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. 4. ed. São Paulo: Makron, c1997.
2v.
Callister Jr., William D.; Ciência e Engenharia de Materiais: Uma
introdução. 5ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2002.
https://www.youtube.com/watch?v=JBtEckh3L9Q
52
53. ET74C – Eletrônica 1
Obrigado pela Atenção!
Prof. Dr. Daniel Flores Cortez
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica – DAELT – (41)3310-4626
Av. Sete de Setembro, 3165 - Bloco D – Rebouças - CEP 80230-901
Curitiba - PR - Brasil