Aula Teorica 1-CIEL por bnflive10

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AulaTeorica 01 - INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES

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AulaTeorica 01 - INTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORESSumario Introduo Modelos Atmicos de BohrNiveis de EnergiaMateriais extrnsecosMaterial dopado tipo NMaterial dopado tipo PConduo devido s lacunasUniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Objetivos Estudar e perceber os conceitos de:

SemicondutoresModelos Atmicos de BohrNiveis de energiaMaterial dopado tipo NMaterial dopado tipo PConduo devido s lacunasConstituio de diodo bipolar

UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)INTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)O material bsico utilizado na construo de dispositivos eletrnicos semicondutores, no um bom condutor, nem um bom isolante. Compare no quadro abaixo vrios materiais classificados quanto condutividade.Introduo

Classificao dos materiais quanto a condutividade elctricaUniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoA resistncia eltrica de um material, mantido a uma certa temperatura determinada pela seguinte lei:R= . l / Aonde, R- resistncia eltrica, medida em ohms [] l - comprimento do material em metros [m]A - rea do material em metros ao quadrado [m2] - resistividade do material [ . m2] / [m].Introduo

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Em comparao com os metais e isolantes, as propriedades eltricas dos semicondutores so afetadas por: variao de temperatura, exposio luz acrscimos de impurezas.O silcio e o germnio, pertencentes ao grupo IV da tabela peridica so muito utilizados na construo de dispositivos eletrnicos. O silcio o mais utilizado, devido as suas caractersticas serem melhores em comparao ao germnio e tambm por ser mais abundante na face da terra.UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Introduo Os materiais, silcio e germnio tm a forma monocristalina e so utilizados com elevado grau de pureza.

O processo tecnolgico de fabricao tem reduzido os nveis de impureza e at a uma parte para dez bilhes (1:1010), de impurezas do tipo adequado pode mudar a condutividade do material utilizado.

UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Modelos Atmicos de BohrO tomo constitudo por partculas elementares, as mais importantes para o nosso estudo so os eltrons, os prtons e os nutrons.Na estrutura atmica de BOHR, os nutrons e os prtons constituem a parte central do tomo chamada de ncleo e os eltrons giram em torno desse ncleo, em vrios nveis energticos.Nas figuras abaixo esto representados os modelos atmicos de BOHR, para os tomos de silcio e germnio.

UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Modelos Atmicos de BohrA ltima camada eletrnica (nvel energtico) chamada camada de valncia. O silcio e o germnio so tomos tetravalentes, pois possuem quatro eltrons na camada de valncia.O potencial necessrio para tornar livre qualquer um dos eltrons de valncia menor que o necessrio para remover qualquer outro da estrutura.

Em um cristal de silcio ou germnio, puros (intrnsecos), estes quarto eltrons de valncia participam da ligao atmica com quatro eltrons dos tomos vizinhos, formando ligaes covalentes. Embora a ligao covalente implique numa ligao mais forte entre os eltrons de valncia, ainda assim possvel que possam assumir o estado livre.A figura abaixo mostra a estrutura planificada das ligaes covalentes dos tomos de silcio ou germnio.

UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Modelos Atmicos de BohrOs eltrons de valncia podem absorver energia externa suficiente para se tornarem eltrons livres.

A temperatura ambiente a aproximadamente 1,5.1010 portadores livres disponveis para a conduo de eletricidade em 1 centmetro cbico de silcio intrnseco, sendo que a mesma temperatura o germnio ter aproximadamente 1000 vezes mais portadores livres.Uma mudana na temperatura de uma material semicondutor pode alterar consideravelmente o nmero de portadores disponveis.

Com a elevao da temperatura, os eltrons de valncia absorvem energia trmica suficiente para quebrar as ligaes covalentes, contribuindo para o aumento da condutividade do material. A figura abaixo mostra a quebra de ligaes covalentes.UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Modelos Atmicos de Bohr

UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Niveis de EnergiaNa estrutura atmica isolada h nveis de energia discretos, associados a cada eltron em sua respectiva rbita. Entre esses nveis discretos nenhum eltron pode existir na estrutura atmica isolada. As figuras mostram nveis de energia, para um tomo isolado.

UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Niveis de EnergiaOs eltrons que ocupam a camada de valncia, tem um nvel energtico mais elevado do que qualquer outro eltron do tomo, contudo podem possuir um nvel mais elevado ainda quando torna se livre.

Quando os tomos de silcio ou germnio formam o cristal, cada tomo da estrutura sofrendo a influencia de seus vizinhos fazem com que seus eltrons ocupem posies diferentes, dentro de uma mesma rbita, de um tomo vizinho.

O resultado final uma expanso dos nveis discretos de energia possveis. A figura abaixo ilustra essa situao.UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Niveis de Energia

UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Materiais ExtrinsecosA adio de certos tomos estranhos aos tomos de silcio ou germnio, chamados de tomos de impurezas, pode alterar a estrutura de camadas (bandas) de energia de forma suficiente mudar as propriedades eltricas dos materiais intrnsecos.Um material semicondutor que tenha sido submetido a um processo de dopagem por impurezas chamado de material extrnseco.

H dois materiais extrnsecos de maior importncia para a fabricao de dispositivos semicondutores. Esses materiais so chamados de: tipo N e tipo P.UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Material dopado tipo NUm mtodo de dopagem consiste na utilizao de elementos contendo cinco eltrons na camada de valncia (penta-valente), como o antimnio, arsnio e fsforo.

O elemento penta-valente adicionado ao silcio ou germnio, intrnseco. Quatro ligaes covalentes sero estabelecidas.

O quinto eltron, porm, fica desassociado de qualquer ligao. Esse eltron pode tornar-se livre mais facilmente que qualquer outro, podendo nessas condies vagar pelo cristal

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Material dopado tipo NUniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)A figura mostra a estrutura planificada de um material do tipo N.

Como o quinto eltron foi doado ao material pelo tomo penta-valente esse chamado de tomo doador.

O nvel de dopagem da ordem de um tomo doador para 10 milhes de tomos do cristal de silcio ou germnio, (1:107).

O efeito deste processo de dopagem mostrado no diagrama energtico a seguir:

O material tipo N resultante, e eletricamente neutro.Material dopado tipo NUniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Material dopado tipo PO material tipo P formado pela dopagem do semicondutor intrnseco por tomos trivalentes como o boro, glio e ndio.

H agora um nmero insuficiente de eltrons para completaras ligaes covalentes.

A falta dessa ligao chamada de lacuna (buraco). Na figura, temos a estrutura planificada de um material tipo P:UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Material dopado tipo PComo uma lacuna pode ser preenchida por um eltron, as impurezas trivalentes acrescentadas ao silcio ou germnio intrnseco, so chamados de tomos aceitadores ou receptores.

O material tipo P resultante eletricamente neutro.UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Conduo devido s lacunasO eltron livre, devido quebra da ligao covalente pode vir a ocupar uma lacuna.

Quando isso ocorrer, deixa no lugar que ocupava uma nova lacuna. A figura abaixo mostra essa situao:

UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Conduo devido s lacunasNo estado intrnseco, o nmero de eltrons livres no silcio ou germnio devido quebra de ligaes covalentes por fontes trmicas ou luminosas, gerando um nmero pequeno de lacunas.No material tipo N o nmero de lacunas, no muda significativamente com relao ao material intrnseco, sendo, portanto o eltron o portador majoritrio deste material e a lacuna, o portador minoritrio

UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)Conduo devido s lacunasNo material tipo P, os eltrons so portadores minoritrios e as lacunas, portadores majoritrios.

UniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)FIMUniZambeze Circuitos electrnicos e Laboratrios - 2 ano Engenharia Informtica 2015 Docente: Eng. Essitone Lote GimoINTRODUO AOS MATERIAIS SEMICONDUTORES (Aula Terica 01)