Materiais Semicondutores

Slides que tranzem uma introdução aos semicondutores até os diodos.

1. ET74C –Eletrônica 1
Física dos Semicondutores
Prof. Dr. Daniel Flores Cortez ([email protected])
25 de Fevereiro de 2016

2. ET74C –Eletrônica 1
Objetivo da Aula
Conhecerascaracterísticasgeraisdosmateriais
semicondutores,compreenderaconduçãode
correnteusandoateoriadeelétronselacunas,
conhecerosmateriaisdotiponep.
2

3. ET74C –Eletrônica 1
Conteúdo Programático
Modelo Atômico de Bohr;
Ligaçãocovalente;
Estruturacristalina;
Semicondutoresintrínsecoseextrínsecos.
3

4. ET74C –Eletrônica 1
Construção de Conhecimento
esperado
Adquirirconhecimentossobreascaracterísticas
fundamentaisdossemicondutoresaplicadosa
construçãodedispositivoseletrônicos.
4

5. ET74C –Eletrônica 1
Física dos semicondutores
Classificaçãodosmateriais
5
Condutores:materialcapazdesustentarumfluxode
cargaselétricaquandosubmetidoaumadiferençade
potencial;
Isolante:materialcapazdeoferecerresistênciaao
fluxodecargaselétricaquandosubmetidoauma
diferençadepotencial;
Semicondutor:materialquepossuinívelde
condutividadeentreosextremosdeumisolante.

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
Paraformarumaestruturaestávelénecessário
ter8elétronsnaúltimacamada
Cristal de silício puro

13. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
13
Si
Oqueacontecequando
juntamosátomosde
silício?
Cristal de silício
Si
Si
Si
Si

14. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
14
Si
Ocorreocompartilhamentode
elétrons(ligaçõescovalentes)
paraformar8elétronsnaúltima
camada
Cristal de silício
SiSi
Si
Si

15. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
15
Si
Ocorreocompartilhamentode
elétrons(ligaçõescovalentes)
paraformar8elétronsnaúltima
camada
Cristal de silício
SiSi
Si
Si

16. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
16
Si
Nessacondiçãoocristalpassa
aserummaucondutora
temperaturaambienteeisolante
embaixastemperaturas
Cristal de silício
SiSi
Si
Si

17. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Cristal de silício puro
Si
Si
SiSi
Si
Si
Si
Si
SiSi
Si
Si
Si
Si
SiSi
Si
Si
Estrutura cristalina do Si à
temperatura de 0 ºK (–273 ºC)

18. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
comoaumentodatemperatura,aenergiatérmicafornecida
aocristalprovocaa“quebra”algumasligaçõescovalentes,
liberando,assim,elétronslivre.Osespaçosvaziosdeixados
porcausadetaisrompimentossecomportamcomocargas
elétricaspositivas,denominadaslacunasouburacos
Si
SiSi
Si
Si
SiSi
Si
Si
SiSi
Si
Elétron livre
Lacuna
Agitação
térmica
O número de elétrons livres é igual
ao número de lacunas

19. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
SiSi
SiSi
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada
Placa carregada
Movimento relativo de lacunas (Recombinação)
Campo elétrico

20. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
SiSi
SiSi
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada
Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico

21. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
SiSi
SiSi
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada
Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico

22. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
SiSi
SiSi
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada
Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico

23. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
SiSi
SiSi
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada
Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico

24. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
SiSi
SiSi
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada
Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico

25. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
SiSi
SiSi
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada
Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico

26. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
SiSi
SiSi
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada
Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Campo elétrico

27. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco
Si
SiSi
SiSi
Si
Elétron livre
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Placa carregada
Placa carregada
Movimento relativo de lacunas
Elétrons e lacunas movem em sentidos opostos
Campo elétrico

28. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor intrínseco

29. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
•Emcondiçõesnormaisocristalde
silícioéumisolantecompouca
utilidadeelétrica.Si
Si
SiSi
Si
SiSi
Si
Si
•Afimdealterarascaracterísticas
elétricassãoadicionasimpurezasno
cristal.Esseprocessoéchamadode
dopagem

30. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
MaterialdotipoN
Si
Si
SiSi
Si
SiSi
Si
Si
São adicionados átomos
pentavalentes(cincoelétrons
naúltimacamada).Ex:
Arsênio, Antimônio e
Fósforo
P

31. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
MaterialdotipoN
Si
Si
SiSi
Si
SiSi
Si
Si
São adicionados átomos
pentavalentes(cincoelétrons
naúltimacamada).Ex:
Arsênio, Antimônio e
Fósforo
P
Elétronlivre

32. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
MaterialdotipoN
Si
Si
SiSi
Si
SiSi
Si
Si
São adicionados átomos
pentavalentes(cincoelétrons
naúltimacamada).Ex:
Arsênio, Antimônio e
Fósforo
P
Elétronlivre
Oimportantedessasituaçãoé
quenãofoigeradanenhuma
lacuna

33. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
MaterialdotipoN
Si
Si
SiSi
Si
SiSi
Si
Si
P
Elétronlivre
Si
Si
Si
P Si
Si
Si
P
Elétronlivre
Oselétronslivressãochamadosdeportadoresmajoritários;
Aslacunassãochamadasdeportadoresminoritários.
lacuna*
*Geradaporagitaçãotérmica

34. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
*Geradaporagitaçãotérmica

35. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
MaterialdotipoP
Si
Si
SiSi
Si
SiSi
Si
Si
São adicionados átomos
trivalentes(trêselétronsna
últimacamada).Ex:Boro,
Alumínio
B

36. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
MaterialdotipoP
Si
Si
SiSi
Si
SiSi
Si
Si
B
Lacuna
São adicionados átomos
trivalentes(trêselétronsna
últimacamada).Ex:Boro,
Alumínio

37. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
MaterialdotipoP
Si
Si
SiSi
Si
SiSi
Si
Si
B
Lacuna
Si
Si
Si
B
Si
Si
Si
B
Lacuna
Lacuna
Oslacunassãochamadosdeportadoresmajoritários;
Aselétronslivressãochamadasdeportadoresminoritários.
Elétron livre*
Lacuna
*Geradoporagitaçãotérmica

38. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
FormaçãodajunçãoPN
AslacunasnomaterialtipoPserãorepresentadaspelo
sinal+.Oselétronslivresserãorepresentadospelosinal-
OselétronslivresnomaterialtipoNserãorepresentadas
pelosinal-.Aslacunasserãorepresentadaspelosinal+
+
-
_
+
TipoP
TipoN

39. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
FormaçãodajunçãoPN
+
+
+
+
+
++
+
+
-
-
-
-
-
--
-
-
MaterialtipoP MaterialtipoN
Oqueacontecequandoosdoismateriaissãounidos?
_
_
_
_
+
+
+
+
+
Portadoresmajoritários
Portadoresminoritários
Portadoresmajoritários
Portadoresminoritários

40. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
FormaçãodajunçãoPN
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
MaterialtipoP MaterialtipoN
AslacunasnasbordasdomaterialtipoPtendemaserem
preenchidaspeloselétronslivresdamaterialtipoN
+
+
-
-
_
_
_
_
+
+
+
+
+

41. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
FormaçãodajunçãoPN
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
MaterialtipoP MaterialtipoN
AslacunasnasbordasdomaterialtipoPtendemaserem
preenchidaspeloselétronslivresdamaterialtipoN
+
+
-
-
SiB
Si
Si
SiP
Si
Si
_
_
_
_
+
+

42. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
FormaçãodajunçãoPN
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
MaterialtipoP MaterialtipoN
Consequência:forma-seumaregiãoestável(isolante,8
elétronsnaúltimacamada)najunção.
+
+
-
-
SiB
Si
Si
SiP
Si
Si
Processoderecombinação

43. ET74C –Eletrônica 1
Semicondutor Extrínseco
Camadadedepleção
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
AjunçãoPNéchamada dediodo,componente
fundamentaldaeletrônica
Oprocessodedeslocamentodascargaséchamado de
DIFISÃO
+
+
-
-
-
-
-
0,7V-Si
0,3V-Ge
_
_
_
_
+
+
+
+
+

44. ET74C –Eletrônica 1
Polarização do diodo
Camadadedepleção
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
Polarizaçãoreversa
+
+
-
E
_
_
_
_
+
+
+
+
+
TipoP TipoN

45. ET74C –Eletrônica 1
Polarização do diodo
Camadadedepleção
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
Polarizaçãoreversa
+
+
-
E
-
_
_
_
_
+
+
+
+
+
TipoP TipoN

46. ET74C –Eletrônica 1
Polarização do diodo
Sujeumapequenacorrentedevidoaofluxodeportadoresminoritário,
chamadodecorrentereversaousaturação(is),ordemdenAauA.
+ +
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
Polarizaçãoreversa
+
+
-
E
-
Camadadedepleção
_
_
_
_
+
+
+
+
is
TipoP TipoN

47. ET74C –Eletrônica 1
Polarização do diodo
Camadadedepleção
++
++
++
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
Polarizaçãodireta
-
+
+
-
E<0,7V
Osportadoresmajoritáriosnãopossuemenergiasuficientepara
atravessaracamadadedepleção
TipoP TipoN

48. ET74C –Eletrônica 1
Polarização do diodo
Camadadedepleção
++
++
++
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
-
Polarizaçãodireta
-
+
+
-
E>0,7V
Osportadoresmajoritáriosadquiremenergiasuficienteparaatravessaracamada
dedepleção,permitindoofluxodecorrente
id>0
_
_
_
_
+
+
+
+

49. ET74C –Eletrônica 1
Recapitulando....
Acorrentecirculafacilmentenumdiododesilíciocom
polarizaçãodireta.Emoutraspalavras,seafontedetensão
formaiorque0,7V(Si),umdiododesilícioproduzuma
correnteincessantenosentidodireto.
Acorrentereversatotalnumdiodoconsistedeuma
correntedeportadoresminoritários(muitopequenaeque
dependedatemperatura).Emmuitasaplicações,acorrente
reversanumdiododesilícioéaproximadamentezero;
Portanto,odiodosomente permite(idealmente) o
fluxodecorrenteemapenasumsentido.

50. ET74C –Eletrônica 1
Símbolo do diodo
P K
Anodo Catodo
Anodo Catodo
Ânion:átomoquerecebeelétronseficacarregado
negativamente
Cátion:átomoqueperdeelétronseadquirecargapositiva

51. ET74C –Eletrônica 1
Símbolo do diodo
P K
Anodo Catodo
Anodo Catodo

52. ET74C –Eletrônica 1
Referências Utilizadas
BOYLESTAD,RobertL.;NASHELSKY,Louis.Dispositivoseletrônicose
teoriadecircuitos.11.ed.SãoPaulo:PearsoneducationdoBrasil,
2013.
Pinto,L.F.Teixeira;AlbuquerqueR.O.Eletrônica:Eletrônica
analógica.SãoPaulo:FundaçãoPadreAnchieta,2011,Vol.2.
MALVINO,AlbertPaul.Eletrônica.4.ed.SãoPaulo:Makron,c1997.
2v.
CallisterJr.,WilliamD.;CiênciaeEngenhariadeMateriais:Uma
introdução.5ed.RiodeJaneiro:EditoraLTC,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