O documento discute semicondutores, incluindo: 1) Elementos semicondutores como silício e germânio que conduzem eletricidade quando dopados com impurezas; 2) Dopagem cria semicondutores tipo N e tipo P, com portadores de carga majoritários e minoritários; 3) Junção PN permite controle da corrente elétrica.

1. Aula 02
Semicondutores

2. Agenda
• Condutividade elétrica
• Elementos semicondutores
• Semicondutores intrínsecos
• Dopagem: semicondutores extrínsecos
• Semicondutores tipo N e tipo P
• Diagramas de bandas de energia
• Junção PN

3. Condutividade elétrica
Cobre
Ferro
Mercúrio
Germânio
Germânio
dopado
Silício
Polietileno
Poliestireno
10
8
10
6
10
4
10
0
10
-2
10
-4
10
-6
10
-8
10
-10
10
-12
10
-14
10
-16
Material
Condutividade
elétrica (S/m)
10
2
Alumina, Vidro
Concreto
Diamante
Grafita
10
-18
Sílica
Condutores
Semicondutores
Isolantes
Metais
(ligação metálica)
Semimetais
Polímeros
Cerâmicas
(ligação covalente)
Polímeros
Cerâmicas
(ligações covalente
e iônica)

4. Elementos semicondutores

5. Configuração Eletrônica

6. Camadas Eletrônicas do Si

7. Ligação Química Covalente

8. Excitação Térmica

9. Propriedades eletrônicas de semicondutores
intrínsecos

10. Camadas Eletrônicas do B

11. Ligação Química Covalente

12. Configuração eletrônica de elementos do
grupo 13 (IIIA)

13. Propriedades de Metais

14. Camadas Eletrônicas do As

15. Ligação Química Covalente

16. Bandas de Energia
3s
3p
3s
3p
3s
3p
"Gap"
Nível eletrônico
para um átomo
Níveis eletrônicos
para cinco átomos
Níveis eletrônicos formando
faixas quase contínuas de
energia para um número
muito grande de átomos

17. Bandas de Energia
Bandas de energia para o diamante versus constante da rede

18. Bandas de Energia

19. Diagrama de bandas de energia

20. Diagrama de bandas de energia

21. Bandas de Energia de Semicondutores
Germânio Silício GaAs

22. Bandas de Energia de Semicondutores

23. Bandas de Energia
Energias do gap da banda proibida a 300 K para alguns
materiais semicondutores importantes.
Cristal EG (eV)
Ge 0,66
Si 1,12
GaAs 1,43
InSb 0,18
InP 1,29

24. Bandas de Energia de Semicondutores
Relação empírica entre Eg e temperatura:

25. Efeito Hall
H
V
i
i
B
+
-
Desvio dos
buracos
Desvio dos
elétrons livres
L

x
y
z
+
+
+
-
-
-
-
-
+

26. Efeito Hall
Resistência Hall
Tensão Hall
EY: campo elétrico transversal
A: área de seção transversal
i: corrente
B: densidade de fluxo magnético
: espessura
Mobilidade Hall:

27. Elétrons negativos
orbitam o núcleo.

28. Possui 29 prótons.
Possui 29 elétrons.
Sua carga = 0.
Elétron de valência

29. O elétron de valência é uma característica importante.
Elétron de valência

30. O elétron de valência
O núcleo mais a órbita interna do elétron
Um modelo simples de átomo de cobre tem esta aparência:

31. O fio de cobre é usado para conduzir eletricidade porque os elétrons de
valência movem-se livremente pela sua estrutura.
Lembre-se que a atração dos elétrons em relação ao núcleo é fraca.

32. Sabemos que a valência de elétron único do cobre faz dele um bom condutor.
Ele age como um isolante elétrico .
A regra de oito mostra que um material como este poderia ser estável desde
que sua órbita de valência esteja cheia.
Sem espaçamento

33. Quiz sobre átomos
▪ A parte densa e central de qualquer átomo é chamada de ________.
núcleo
▪ A carga do átomo é 0 já que o número de prótons é igual ao número de
________.
elétrons
▪ A órbita mais ao exterior de todos os átomos é chamada de órbita de
________
valência
▪ Bons condutores elétricos ________ de valência livres.
elétrons
▪ O número "mágico" para a estabilidade de valência é ________.
oito

34. Átomos do mesmo tipo podem se juntar e formar ligações covalentes.
Este é um processo de troca entre elétrons.
Átomos de silício possuem quatro elétrons de valência.

35. A troca covalente satisfaz a regra de oito.
Nesta estrutura, uma ligação é formada com cada vizinho.

36. Este é um cristal de silício.
Ele não conduz porque elétrons de valência são capturados
por ligações covalentes.

37. Portadores
térmicos
Ligações covalente podem ser quebradas ao se aquecer um cristal de silício.
Elétron livre
Lacuna

38. Aquecer cristais de silício para que eles possam conduzir não é prático!

39. Um cristal de silício pode ser dopado com uma impureza doadora.
1
2 3
4
5
Cada átomo doador que entra no cristal adiciona um elétron livre.
Elétron livre

40. O silício que tenha sido dopado com arsênico é chamado de tipo N.
Os elétrons em silício de tipo N suportam o fluxo da corrente.

41. Isto é um átomo de boro.
Um cristal de silício pode ser dopado com uma impureza aceitadora.
1
2 3
Cada átomo aceitador que entra no cristal cria um buraco.
Lacuna

42. O silício que tiver sido dopado com boro é chamado de tipo P.
As lacunas em um silício de tipo P suportam o fluxo da corrente.

43. Quais são dois métodos práticos de
se fazer silício semicondutor?
Lacuna
Elétron livre
Adicione uma impureza
pentavalente.
Adicione uma impureza
trivalente.
(Tipo N) (Tipo P)

44. Este é um cristal tipo P.
Devido ao calor, pode possuir alguns elétrons livres.
Estes são chamados portadores minoritários.

45. Este é um cristal tipo N.
Devido ao calor, pode possuir algumas lacunas.
Estes são chamados portadores minoritários.

46. O silício é o principal material da indústria de semicondutores,
mas compostos semicondutores contribuem em áreas específicas.
▪ Arseneto de gálio (GaAs)
▪ Nitreto de gálio (GaN)
▪ Fosfeto de índio (InP)
▪ Telureto de cádmio (CdTe)
▪ Carbeto de silício (SiC)
▪ Sulfeto de cádmio (CdS)

47. Esta tela de Kodak usa diodos emissores de luz orgânicos.

48. Quiz sobre semicondutores
▪ Um cristal de silício puro, a temperatura ambiente, age como um ________
elétrico.
isolante
▪ Os portadores de corrente, em silício de tipo N, são chamados ________.
elétrons
▪ Os portadores de corrente, em silício de tipo P, são chamados ________.
buracos
▪ Os portadores minoritários, em silício de tipo N, são chamados ________.
buracos
▪ Os portadores minoritários, em silício de tipo P, são chamados ________.
elétrons

49. Revisão
▪ Condutores e isolantes
▪ Semicondutores
▪ Semicondutores tipo N
▪ Semicondutores tipo P
▪ Portadores majoritários e
▪ minoritários