Eletrônica Aplicada - Elt 1 O Semicondutor

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E-mail: [email protected] ESCOLA TÉCNICA REZENDE-RAMMEL CURSO TÉCNICO DE MECATRÔNICA ELETRÔNICA APLICA I NOME _______________________ TURMA _______ ANO ___ O SEMICONDUTOR TEORIA DO SEMICONDUTOR A eletrônica atual usa como estrutura básica na confecção de seus componentes os elementos semicondutores. Em princípio, estes elementos adquirem uma série de vantagem em relação a seus precursores [válvulas ou tubos a vácuo] no tratamento de sinais: espaços menores, maior resistência mecânica e maior tempo de funcionamento. Ao mesmo tempo, apresentam os inconvenientes de serem mais sensíveis às temperaturas e não atingir, relativamente, potências elevadas. ANÁLISE DOS ELEMENTOS SÓLIDOS As grandes maiorias das substâncias sólidas são formadas por moléculas ordenadas em forma cristalinas. Os átomos que formam os elementos que integram essas moléculas podem ser unidos de três formas: • Ligação Iônica Æ íons unidos por forças eletrostáticas; • Ligação Covalente Æ átomos que compartilham pares de elétrons; • Ligação Metálica Æ átomos que compartilham os elétrons livres entre todos os átomos. Tomando como base às teorias de Bohr e de Sommerfield sobre a estrutura atômica, verificamos que a distribuição dos elétrons que compõem um átomo é feita em camadas formando diferentes níveis e subníveis em torno do núcleo. DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA Os átomos até hoje conhecidos apresentam seus elétrons em camadas, tendo um máximo de 7camadas de estabilidade, denominadas: K, L, M, N, O, P e Q. 1 K ELIÉSIO 2 3 4 5 6 7 2 8 18 32 32 18 L M N O P Q 2 Os máximos de elétrons nas respectivas camadas são: KÆ2 Experimentalmente, LÆ8 constatou-se que, num MÆ18 átomo estável, o máximo NÆ32 de elétrons na camada OÆ32 externa é 8. PÆ18 QÆ2 1 E-mail: [email protected] BANDA DE ENERGIA Banda saturada [BS] Banda de valência [BV] Formada pelos elétrons que estão mais próximo Formada pelos elétrons que estão um pouco do núcleo e possuem uma mesma quantidade de mais separados do núcleo, formando um outro nível de energia e estão numa situação energia estando fortemente agrupados semilivres. Banda proibida [BP] Banda de condução Formada pelos elétrons que estão mais afastados Formada pelo espaço entre a banda de valência do núcleo. Nesta banda os elétrons possuem com a banda de condução e a banda de saturada. energia suficiente para moverem-se pelo corpo. Estas bandas são desprovidas de elétrons. BC BP BV BP BS Tomando como base à teoria das bandas de energia e centrando-se nas de valência e condução teremos uma classificação dos materiais quanto à condução de corrente elétrica. CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS • Condutores Possuem as bandas de valência e a banda de condução sobreposta, portanto, os elétrons podem mover-se pelo corpo quando submetidos à influência de um campo elétrico de pequena intensidade. Os condutores apresentam uma resistividade da ordem de 2 × 10 −6 Ω × cm . BC BV • Semicondutores Há um uma pequena separação entre as bandas de condução e de valência que provoca uma diferença de potencia de aproximadamente 1 eV. Com isto os elétrons conseguem com relativa facilidade passar da banda de valência para a banda de condução. Sua resistividade varia entre 100 e 10 6 Ω × cm . BC 1 eV BV • ELIÉSIO Isolantes 2 E-mail: [email protected] Há uma grande separação entre as bandas fazendo com que os elétrons encontrem uma grande dificuldade para transitar entre as bandas. Somente alterando a estrutura do corpo os elétrons passariam pela banda proibida. Sua resistividade é da ordem 1017 Ω • cm BC BP BV SEMICONDUTORES Nos semicondutores alguns elétrons podem ser promovidos até a banda de condução pela injeção de pequenas quantidades de energia e pode haver a condução elétrica. Por isso, o silício é extensamente usado em dispositivos elétricos que aproveitam as propriedades dos semicondutores. O silício puro pertence à classe de materiais que se denominam semicondutores intrínsecos. Nestes materiais, à promoção de um elétron da banda de valência para a de condução cria uma lacuna positiva na banda de valência. O semicondutor é capaz de conduzir carga elétrica porque os elétrons da banda de condução migram numa direção e as lacunas na banda de valência migram na direção oposta. As lacunas “deslocam-se”, pois um elétron de um nível adjacente pode ocupá-lo e cria assim uma “nova” lacuna. Assim as lacunas positivas na banda de valência deslocam-se no sentido oposto ao dos elétrons negativos na banda de condução. Banda de condução e− e− e− e− e − e− Lacuna de energia ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ banda de valência Portadores de carga, positivos e negativos num semicondutor intrínseco. Num semicondutor intrínseco, o número de elétrons na banda de condução é inteiramente determinado pelo tamanho da banda proibida e pela temperatura. Quanto menor for a banda proibida, menor a quantidade de energia necessária para promover um número significativo de elétrons. Analogamente, quando a temperatura se eleva, é possível promover um número maior de elétrons para a banda de condução. Os semicondutores extrínsecos são materiais cuja condutividade está controlada pela adição de números pequenos de átomos de diversas espécies de impurezas. Esta adição de impurezas é conhecida como “dopagem” do semicondutor. Por exemplo, imaginemos que se substituam alguns átomos de silício [4 elétrons na camada de valência], no cristal puro de silício, por átomos de alumínio [3 elétrons na camada de valência]. O alumínio só tem três elétrons de valência enquanto o silício tem quatro; então, pelo menos uma ligação [Al ⎯ Si], por átomo de alumínio adicionado, tem deficiência de elétrons. Pela teoria das bandas, verifica-se que o nível de energia associado a cada ligação [Al ⎯ Si] não está na banda de valência do silício, mas forma um nível discreto, logo acima desta banda. Este nível é um nível aceitador, pois pode ELIÉSIO 3 E-mail: [email protected] receber elétron. A banda proibida entre a banda de valência e o nível aceitador é, usualmente, bastante pequena, e os elétrons podem ser promovidos com facilidade da banda de valência para o nível aceitador.As lacunas positivas que ficam na banda de valência podem se mover sob a influência de um campo elétrico externo, e o semicondutor dopado pelo alumínio é um semicondutor do tipo P, pois os condutores de carga elétrica são positivos. Observação: O semicondutor tipo P é um material eletricamente neutro, já que temos o número de prótons e elétrons na estrutura iguais. Porém, possuem portadores de carga positiva [lacuna] na sua estrutura. Suponhamos agora que se juntem átomos de fósforo [5 elétron na camada de valência] ao silício. O material continua a ser um semicondutor, mas com portadores de carga negativos [elétrons], tornandose um semicondutor tipo N. Os átomos de fósforo têm um elétron a mais do que o silício. A presença desses átomos na estrutura de silício leva à formação de níveis doadores, ocupados por elétrons, logo abaixo da banda de condução. Os elétrons podem ser promovidos facilmente do nível doador para a banda de condução e serem os portadores de carga [positiva] nesta banda. Observação: O semicondutor tipo N é um material eletricamente neutro, já que temos o número de prótons e elétrons na estrutura iguais. Porém, possuem portadores de carga negativa [elétron] na sua estrutura. banda de condução banda proibida no silício puro adicionando átomo de elemento trivalente nova banda proibida nível aceitador e− ⊕ banda de valência semicondutor intrínseco semicondutor tipo P e− banda de condução banda proibida no silício puro adicionando átomo de elemento pentavalente nova banda proibida nível doador banda de valência semicondutor intrínseco ELIÉSIO semicondutor tipo N 4 E-mail: [email protected] CRISTAL SEMICONDUTOR Na natureza existem vários tipos de materiais semicondutores, porém, os mais utilizados para componentes eletrônicos são o SILÍCIO e o GERMÂNIO. SILÍCIO (SI) Z = 14 np = ne [neutro] 1ª órbita = 2 elétrons 2ª órbita = 8 elétrons 3ª órbita = 4 elétrons 4p GERMÂNIO (GE) Z = 32 4p np = ne [neutro] 1ª órbita = 2 elétrons 2ª órbita = 8 elétrons 3ª órbita = 18 elétrons 4ª órbita = 4 elétrons SEMICONDUTOR INTRÍNSECO Um átomo de germânio ou de silício possui 4 elétrons na sua órbita de valência (TETRAVALENTES); porém para se tornarem quimicamente estável precisam de oito elétrons na sua camada mais externa e assim adquirirem a configuração dos gases raros. Para atingir este objetivo os átomos combinam-se entre si através de LIGAÇÕES COVALENTES. Nas ligações covalentes os elétrons fazem parte do orbital de valência dos dois átomos. REPRESENTAÇÃO DO CRISTAL SEMICONDUTOR INTRÍNSECO Por serem tetravalentes os átomos dos semicondutores podem realizar quatro ligações covalentes com outros quatros átomos que estejam em sua proximidade e adquirem a forma espacial, porém por uma questão de simplicidade e para que se possa compreender melhor as figuras, esses materiais são representados como se tivessem ligações planas. ELIÉSIO 5 E-mail: [email protected] FORMAÇÃO DO PAR ELÉTRON-LACUNA Em temperatura de ZERO ABSOLUTO (Oº KELVIM OU −273º CENTÍGRADO) a matéria não apresenta vibração térmica e as ligações covalentes ficam intactas, o cristal não possui portadores de carga livre, pois os elétrons de valência estão fortemente presos ao átomo. O cristal comporta-se como um material isolante. Na temperatura ambiente normal, por exemplo, 25º C, teremos vibração térmica e o conseqüente rompimento de ligações covalentes. Ao romper uma ligação covalente, temos a formação de um par ELETRON-LACUNA. Como sabemos o ELÉTRON apresenta carga negativa. A LACUNA que representa a ausência do elétron apresenta carga positiva. BANDA DE ENERGIA A TEMPERATURA DE ZERO ABSOLUTO Energia BANDA DE ENERGIA A TEMPERATURA AMBIENTE Energia VAZIA banda de condução elétrons banda de condução banda de valência banda de valência 2ª banda 2ª banda 1ª banda 1ª banda CORRENTE DE DIFUSÃO (DRIF) É o movimento aleatório dos elétrons e lacunas dentro da estrutura cristalina provocado pela vibração térmica. Devemos notar que o movimento dos elétrons e lacunas é sempre feito em sentidos opostos. As estruturas cristalinas intrínsecas, na temperatura ambientes terão os portadores de carga negativa (elétrons) e os portadores de carga positiva (lacunas), porém no todo a estrutura cristalina continua neutra. POLARIZAÇÃO DO SEMICONDUTOR INTRÍNSECO Ao aplicar uma diferença de potencial entre os extremos de um cristal intrínseco teremos um movimento ordenado dos portadores de carga. As lacunas irão se deslocar na direção do lado negativo da fonte e os elétrons irão para o lado positivo da fonte. elétrons lacunas +−+−+−+−+− −+−+−+−+−+ O semicondutor intrínseco possui o número de lacunas igual ao número de elétrons Il = Ie A corrente de elétrons e lacuna dependerá sempre da temperatura. V ELIÉSIO 6 E-mail: [email protected] DOPAGEM Um cristal intrínseco não possui portadores de carga suficiente para a maioria das aplicações. Para elevar o número dos portadores de carga, o cristal é dopado, sendo acrescentada de forma controlada determinada quantidade de impurezas a sua estrutura cristalina. O cristal dopado passa a ser chamado de semicondutor extrínseco. SEMICONDUTOR P Para aumentar o número de lacunas na banda de valência o semicondutor é dopado com substância trivalente (3 elétrons na camada de valência). Os átomos trivalentes são conhecidos como átomos aceitadores, porque, cada lacuna que ele fornece pode aceitar um elétron durante a recombinação. Como exemplo de impureza aceitadora temos o alumínio, o boro e o gálio. Depois que for adicionada impureza o cristal passa a ter uma quantidade de lacunas maior que os elétrons. REPRESENTAÇÃO DO SEMICONDUTOR TIPO “P” ÁTOMO TRIVALENTE 3p 3 ELÉTRONS DE VALÊNCIA LACUNA (acrescentada pelo elemento trivalente) NOTA: O semicondutor P é um material neutro. POLARIZAÇÃO DO SEMICONDUTOR P Ao aplicar uma diferença de potencial entre os extremos de um cristal tipo “P”, teremos um movimento ordenado dos portadores de carga, porém, as lacunas estão em quantidade maior que os elétrons. No semicondutor P as lacunas são portadores majoritários elétrons (em maior número) e os elétrons são portadores minoritários lacunas (em menor número). +−+++−+++− Il > Ie −+++−+++−+ V ELIÉSIO A corrente de elétrons dependerá da temperatura e a corrente de lacunas dependerá da temperatura e da dopagem 7 E-mail: [email protected] SEMICONDUTOR N Para aumentar o número de elétrons na banda de valência o semicondutor é dopado com substância pentavalente (5 elétrons na camada de valência). Os átomos pentavalentes são conhecidos como átomos doadores, porque, eles colocam elétrons na banda de condução. Como exemplo de impureza doadora temos o arsênio, o antimônio e o fósforo. . Depois que for adicionada impureza, o cristal passa a ter uma quantidade de elétrons maior que a quantidade de lacunas. REPRESENTAÇÃO DO SEMICONDUTOR TIPO “N” ÁTOMO PENTAVALENTE 5p 5 ELÉTRONS DE VALÊNCIA ELÉTRON (acrescentada pelo elemento pentavalente) NOTA: O semicondutor N é um material neutro. POLARIZAÇÃO DO SEMICONDUTOR N Ao aplicar uma diferença de potencial entre os extremos de um cristal tipo “N” terá um movimento ordenado dos portadores de carga, porém, os elétrons estão em quantidade maior que as lacunas. No semicondutor N os elétrons são portadores majoritários (em maior número) e as lacunas são portadores minoritários (em menor número). elétrons lacunas +−−−+−−−+− −+−−−+−−+ Ie>Il A corrente de lacuna dependerá sempre da temperatura e a corrente de elétrons dependerá da temperatura e da dopagem. V ELIÉSIO 8 E-mail: [email protected] JUNÇÃO PN Ao construir um cristal com a metade de material P (portador majoritário as lacunas) e a outra metade de material N (portador majoritário elétrons), teremos uma junção PN que é o encontro de dois tipos de materiais. junção O lado P e o lado N são Material N Material P neutrosÆnp = ne anodo Quando um elétron livre sai da região N, sua saída cria um ION+++++++Θ ⊕−−−−−−−− POSITIVO. Este elétron ao se + + + + + + + Θ ⊕ − − − − − − − − catodo instalar na região P onde antes +++++++Θ ⊕−−−−−−−− tinha uma lacuna, cria um ION+++++++Θ ⊕−−−−−−−− POSITIVO criando desta forma uma região com cargas elétricas. Região REGIÃO DE DEPLEÇÃO de Na região de depleção temos depleção cargas elétricas: positivas no lado N e negativas no lado P REGIÃO DE DEPLEÇÃO As lacunas que se difundem através da junção para dentro da região N rapidamente se recombinam com alguns elétrons majoritários ali presentes e, portanto, desaparecem de cena. Esse processo de recombinação resulta no desaparecimento de alguns elétrons livres do material tipo N. Logo, no lado N, teremos uma região depletada de elétrons com cargas positivas e na região P, teremos uma região depletada de elétrons com cargas negativas. Esta região de depleção de portadores, ou, simplesmente região de depleção, também chamada de região de carga espacial. Irá criar carga elétrica nos dois lados da junção, que dará origem a um campo elétrico. Este campo elétrico que se estabelecerá através dessa região terá, carga positiva no lado N e carga negativa no lado P. BARREIRA DE POTENCIAL Após um determinado ponto, a região de depleção age como barreira impedindo a continuação de difusão de elétrons livres através da junção. A queda de tensão na região de depleção age como uma barreira que tem que ser superada para que as lacunas de difundem pela região N e os elétrons se difundem pe3la região P Esta tensão é característica para o tipo de semicondutor utilizado. A 25º C esta barreira de potencial é de ± 0,7 V para o silício e de ± 0,3 V para o germânio. CORRENTE DE DERIVA Is E O EQUILÍBRIO Além do componente da corrente ID devido aos portadores de difusão majoritários, existe também um componente devido aos portadores minoritários através da junção. Especificamente, algumas lacunas geradas termicamente no material N se difundem através desse pela borda da região de depleção. Nessa região as lacunas experimentam o efeito do campo elétrico, o qual faz com que elas passem para o lado P rapidamente. De modo similar alguns elétrons majoritários gerados termicamente no material P se difundem pela borda d região de depleção e são acelerados pelo campo elétrico nessa região para o lado N. Esses dois componentes de corrente [elétrons que se movimentam pela deriva do lado P para o lado N e lacunas que se movimentam pela deriva do lado N para o P] somam-se para formar a corrente de ELIÉSIO 9 E-mail: [email protected] deriva “Is”, cujo sentido é do lado N para o lado P da junção. Como a corrente Is é formada de portadores minoritários gerados termicamente, seu valor depende muito da temperatura. Essa corrente é da ordem de microamperes para o transistor de germânio e da ordem de nanoamperes para o transistor de silício. POLARIZAÇÃO DIRETA Ao polarizar diretamente uma junção PN colocamos o material “P” positivo em relação ao material “N”. “Como temos a redução do potencial de barreira os portadores de carga majoritários passam a fluir através da junção”. +++++++Θ⊕−−−−−−− +++++++Θ⊕−−−−−−− +++++++Θ⊕−−−−−−− +++++++Θ⊕−−−−−−− A anodo K catodo A polarização direta provoca uma diminuição do potencial de barreira Com a diminuição do potencial de barreira, teremos uma intensa corrente de portadores majoritários. (ID) ID V A corrente direta "ID" é formada por portadores majoritários e depende da "dopagem" da estrutura. POLARIZAÇÃO INVERSA Ao polarizar inversamente uma junção PN colocamos o material “P” negativo em relação ao material “N”. Com isto é elevado o potencial de barreira, e temos o afastamento dos portadores majoritários da região da junção, aumentando a região de depleção. Com a polarização reversa o potencial de barreira aumenta até que a diferença de potencial se iguale à tensão da fonte. A anodo ++++ ++++ ++++ ++++ ΘΘΘΘ ΘΘΘΘ ΘΘΘΘ ΘΘΘΘ V ELIÉSIO ⊕⊕⊕ − − − − − K ⊕⊕⊕ − − − − − catodo ⊕⊕⊕ − − − − − ⊕⊕⊕ − − − − − A polarização reversa provoca uma elevação do potencial de barreira Com o aumento do potencial de barreira, teremos somente uma pquena corrente de portadores minoritários. (IR) A corrente de saturação é formada pelos portadores minoritários e depende exclusivamente da temperatura. 10 E-mail: [email protected] CORRENTE DE PORTADORES MINORITÁRIOS A corrente de portadores minoritários é provocada pela energia térmica que com a vibração térmica cria continuamente um número limitado de par elétron-lacuna. Os elétrons formam os portadores minoritários no material “N” e as lacunas os portadores minoritários no material “P”. A corrente reversa é chamada de CORRENTE DE SATURAÇÃO (Is) e depende exclusivamente da temperatura de funcionamento da junção PN . Isto significa que aumentando a polarização reversa não teremos um aumento na corrente reversa, porém, se a temperatura aumentar a corrente reversa aumenta. Este valor é característico para cada tipo de semicondutor utilizado. Para o caso do silício, na prática observa-se que a corrente de saturação tem seu valor dobrado para cada 10º C de elevação da temperatura. ELIÉSIO 11 E-mail: [email protected] AUTO-AVALIAÇÃO Æ O SEMICONDUTOR NOME _______________________ TURMA _______ ANO ___ 01] Explique o motivo da utilização de semicondutores na eletrônica atual. 02] O que é ligação iônica? 03] O que é ligação covalente? 04] O que é ligação metálica? 05] Faça a distribuição básica dos elétrons de um átomo por camadas. 06] O que é camada de valência de um átomo? 07] Um átomo estável terá quantos elétrons na camada de valência? 08] O que é banda de condução? 09] O que é banda saturada? 10] O que é banda de valência? 11] O que é banda proibida? 12] Tomando como base à teoria das bandas de energia, defina: ELIÉSIO 12 E-mail: [email protected] a] condutoresÆ b] semicondutoresÆ c] isolantesÆ 13] O que é semicondutor intrínseco? 14] O que é semicondutor extrínseco? 15] O que é semicondutor tipo P? 16] O que é semicondutor tipo N? 17] Qual a carga elétrica no semicondutor tipo P? 18] Qual a carga elétrica no semicondutor tipo N? 19] Qual o portador de carga elétrica no semicondutor tipo P? 20] Qual o portador de carga elétrica no semicondutor tipo N? 21] Explique o conceito de material aceitador. 22] Explique o conceito de material doador? 23] Qual é a órbita de valência de um átomo? ELIÉSIO 13 E-mail: [email protected] 24] Como é formada a banda de condução de um átomo ? 25] Caracterize a diferença entre : isolante, condutor e semicondutor. 26] O que são elementos trivalentes, tetravalentes e pentavalentes? 27] Utilizando a Tabela Periódica dos Elementos Químicos, classifique os seguintes elementos segundo as suas valências: silício, germânio, gálio, arsênio, índio, fósforo, antimônio, alumínio e boro. 28] O que é uma ligação covalente? 29]] Como é formado o par elétron-lacuna, no material semicondutor ? 30] O que são lacunas num material semicondutor ? 31] O que é semicondutor intrínseco ? 32] Defina impureza doadora e impureza aceitadora. 33] Como é formado um semicondutor tipo P? 34] Como é formado um semicondutor tipo N? 35] O que é portador majoritário? ELIÉSIO 14 E-mail: [email protected] 36] Quais os portadores majoritários no semicondutor P? 37] Quais os portadores majoritários no semicondutor N? 38] O que é portador minoritário? 39] Quais os portadores minoritários no semicondutor P? 40] Quais os portadores minoritários no semicondutor N? 41] O que é corrente de difusão? 42] O que é junção NP? 43] Defina região de depleção? 44] O que é potencial de barreira? 45] Qual o valor aproximado do potencial de barreira para o silício? 46] Qual o valor aproximado do potencial de barreira para o germânio? 47] Como podemos polarizar diretamente uma junção PN? 48] O que ocorre com o potencial de barreira na polarização direta? 49] Como podemos polarizar inversamente uma junção PN? ELIÉSIO 15 E-mail: [email protected] 50]O que ocorre com o potencial de barreira na polarização reversa? 51] O que é corrente de saturação numa junção PN? 52] Por que a corrente reversa de uma junção pn é conhecida como corrente de fuga? 53] Como são criados os portadores minoritários no material semicondutor? 54] Como são criados os portadores minoritários no material semicondutor? 55] Qual o efeito da temperatura no material semicondutor? 56] Qual o efeito da temperatura sobre um semicondutor de silício? ELIÉSIO 16