Materiais Semicondutores

ET74C – Eletrônica 1
Física dos Semicondutores
Prof. Dr. Daniel Flores Cortez (danielcortez@utfpr.edu.br)
25 de Fevereiro de 2016

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

Conteúdo Programático
 Modelo Atômico de Bohr;
 Ligação covalente;
 Estrutura cristalina;
 Semicondutores intrínsecos e extrínsecos.
3

Construção de Conhecimento
esperado
 Adquirir conhecimentos sobre as características
fundamentais dos semicondutores aplicados a
construção de dispositivos eletrônicos.
4

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.

Estrutura Atômica
 Modelo Atômico de Bohr
6
• Elétrons orbitam o núcleo;
• Órbitas bem definidas.

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.

Estrutura Atômica
Distinção atômica entre condutores e semicondutores
8
• Mat. condutores possuem
de 1 a 3 elétrons na
cobre, prata, alumínio);
+29
Átomo de cobre
+14
Átomo de Silício
• Mat. semicondutores
possuem de 4 elétrons na
silício, germânio, carbono)
(Átomos tetravalentes);

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);

Estrutura Atômica
10
+14
Átomo de Silício
+32
Átomo de Germânio

Estrutura Atômica
11
Si
Átomo de Silício Átomo de Germânio
Ge
Representados somente pela última camada

Semicondutor intrínseco
12
Si
Para formar uma estrutura estável é necessário
ter 8 elétrons na última camada
Cristal de silício puro

13
Si
O que acontece quando
juntamos átomos de
silício?
Cristal de silício
Si
Si
Si
Si

14
Si
Ocorre o compartilhamento de
elétrons (ligações covalentes)
para formar 8 elétrons na última
camada
Cristal de silício
Si
Si
Si
Si

15
Si
Ocorre o compartilhamento de
elétrons (ligações covalentes)
para formar 8 elétrons na última
camada
Cristal de silício
Si
Si
Si
Si

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

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)

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

Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada Placa carregada
Movimento relativo de lacunas (Recombinação)
Campo elétrico

Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico

Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Movimento relativo de lacunas
Elétrons e lacunas movem em sentidos opostos
Campo elétrico

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

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

Material do tipo N
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Fósforo
P
Elétron livre

Material do tipo N
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Fósforo
P
Elétron livre
O importante dessa situação é
que não foi gerada nenhuma
lacuna

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

* Gerada por agitação térmica

Material do tipo P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
trivalentes (três elétrons na
última camada). Ex: Boro,
Alumínio
B

Material do tipo P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
B
Lacuna
trivalentes (três elétrons na
última camada). Ex: Boro,
Alumínio

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

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

+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Material tipo P Material tipo N
O que acontece quando os dois materiais são unidos?
_
_
_
_
+
+
+
+
+
Portadores majoritários
Portadores minoritários
Portadores majoritários
Portadores minoritários

+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
As lacunas nas bordas do material tipo P tendem a serem
preenchidas pelos elétrons livres da 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
_
_
_
_
+
+

+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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

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
_
_
_
_
+
+
+
+
+

Polarização do diodo
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
Polarização reversa
+
+
-
E
_
_
_
_
+
+
+
+
+
Tipo P Tipo N

+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
+
+
-
E
-
_
_
_
_
+
+
+
+
+
Tipo P Tipo N

Suje uma pequena corrente devido ao fluxo de portadores minoritário,
chamado de corrente reversa ou saturação (is), ordem de nA a uA.
+ +
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
+
+
-
E
-
_
_
_
_
+
+
+
+
is
Tipo P Tipo N

+ +
+
+
+ +
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
Polarização direta
-
+
+
-
E<0,7V
Os portadores majoritários não possuem energia suficiente para
atravessar a camada de depleção
Tipo P Tipo N

+ +
+
+
+ +
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
Polarização direta
-
+
+
-
E>0,7V
Os portadores majoritários adquirem energia suficiente para atravessar a camada
de depleção, permitindo o fluxo de corrente
id>0
_
_
_
_
+
+
+
+

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.

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

Símbolo do diodo
P K
Anodo Catodo
Anodo Catodo

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

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

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