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Materiais Semicondutores

� Os semicondutores tem condutividade entre os condutores e isolantes

� Cristais singulares:

• Germânio (Ge)

• Silício (Si)

� Cristais Compostos:

• Arseneto de gálio(GaAs)

• Sulfeto de cádmio(CdS)

1-MATERIAIS SEMICONDUTORES

• Nitreto de gálio(GaN)

• Fosfeto de arseneto de gálio(GaAsP).

� Mais utilizados: Ge, Si e GaAs.

• Germânio : utilizado nos primeiros componentes, fácil de encontrar, facilidade de refino. Sensível às variações de temperatura.

• Silício : menor sensibilidade à temperatura. Um dos materiais mais abundantes na natureza.

• Arseneto de Gálio : velocidade de operação 5x maior que o silício, custo mais elevado.

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Materiais Semicondutores

� Valência

• Silício e Germânio: 4 elétrons na camada de valência (tetravalentes)

• Gálio: 3 elétrons na camada de valência (trivalentes).

• Arsênio: 5 elétrons na camada de valência (pentavalentes).

� Ligação covalente : elétrons de valência formam um arranjo de ligação com átomos adjacentes compartilhando elétrons:

2- LIGAÇÕES COVALENTES

Ligações covalentes

Ligação covalente no silício Ligação covalente no AsGa

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� Elétron livre : elétrons de valência que absorvem energia cinética externa (luz, calor...) quebrando as ligações covalentes.

� Materiais intrínsecos : material refinado com reduzido número de impurezas.

3- MATERIAIS INTRÍNSECOS

� Coeficiente de temperatura negativo : aumento da condutividade com aumento da temperatura.• Elétrons de valência absorvem energia térmica sufic iente para quebrar ligações covalentes.

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� Portadores intrínsecos( n i): número de portadores livres, à temperatura ambiente.

3- MATERIAIS INTRÍNSECOS

Semicondutor Portadores intrínsecos ( n i) – cm3

• GaAs 1,7 x 10 6

• Si 1,5 x 1010

• Ge 2,5 x 1013

� Mobilidade relativa ( µn): capacidade dos portadores de se moverem por todo o material.

Semicondutor Mobilidade relativa (μn) – cm2/V.s

• Si 1500

• Ge 3900

• GaAs 8500

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4- NÍVEIS DE ENERGIA

� Quanto maior a distância do elétron em relação ao núcleo, maior o seu estado de energia.

Energia

nível de valência – camada mais externaGap de energia

segundo nível de energiaGap de energia

núcleonúcleo

� Somente níveis de energia específicos podem existir para os elétrons na estrutura atômica para átomos isolados.

� Entre os níveis de energia não se admitem portadores (gaps).

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4- NÍVEIS DE ENERGIA

� O gap de energia revela elementos úteis para a construção de dispositivos sensíveis à radiações:

• Fotodetectores sensíveis à luz ou calor• Diodos emissores de luz – LED

� Quanto maior o gap, maior a possibilidade de a energia ser liberada � Quanto maior o gap, maior a possibilidade de a energia ser liberada sob a forma de luz ou calor.

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4- NÍVEIS DE ENERGIA

Banda de condução

Eg > 5eV

- - -

Energia

Banda de condução

- - -

Energia

Sobreposição de bandas

Elétrons livres

Não alcança o nível de

condução - - - -

Banda de condução

Banda de valência

Energia

Classificação dos materiais – níveis de energia

- - -

Banda de valência

Eg > 5eV Eg = 0,67eV(Ge) Eg = 1,1eV(Si)Eg = 1,43eV(GaAs)

- - -

Banda de valência

Banda de valência

ISOLANTES SEMICONDUTORES CONDUTORES

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5- SEMICONDUTORES TIPO E

� As características de um material semicondutor podem ser alteradas com adição de átomos de impurezas ao material intrínseco.

� Estas impurezas, adicionadas na proporção de uma parte em 10 milhões, modificam as propriedades elétricas do material.

� Dopagem:capacidade de alterar as características do material com adição de � Dopagem:capacidade de alterar as características do material com adição de impurezas.

� Um material submetido ao processo de dopagem é chamado de extrínseco.

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5- SEMICONDUTORES TIPO E

MATERIAL DO TIPO

� O semicondutor tipo N é produzido pela adição de átomos pentavalentes ao cristal de silício.

� Exemplos: arsênio (Ar) e antimônio (Sb).

� Ao formar ligações covalentes estes átomos ficam com um elétron sobrando, que passa para a banda de condução.

Quinto elétron de valência do fósforo

Impureza de fósforo (P)

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5- SEMICONDUTORES TIPO E

MATERIAL DO TIPO

� Impurezas difundidas pentavalentes são chamadas de átomos doadoras.

� Algumas lacunas continuam a serem produzidos em pequena quantidade pela quebra das ligações covalentes.

� Se o quinto elétron do átomo doador deixa o átomo de origem, este adquire uma carga líquida positiva.

� Os elétrons da banda de condução são chamados portadores majoritários e as lacunas, portadores minoritários.as lacunas, portadores minoritários.

Representação do semicondutor N

+ lacunas

- elétrons livres- - - - - - - - - - -

- + - - - - - + - -

- - - - - + - - - - -

- - - + - - - - - -+ íon positivo

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5- SEMICONDUTORES TIPO E

MATERIAL DO TIPO

� O semicondutor tipo N é produzido pela adição de átomos trivalentes ao cristal de silício.

� Exemplos: , gálio (Ga), alumínio (Al)� Nas ligações covalentes estes átomos ficam com um elétron a menos na

banda de valência. Dessa forma aparece uma lacuna em cada átomo trivalente.

Lacuna

Impureza de boro

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Materiais Semicondutores

5- SEMICONDUTORES TIPO E

MATERIAL DO TIPO

� Impurezas difundidas trivalentes são chamadas de átomos aceitadores.

� Alguns elétrons livres continuam a serem produzidos em pequena quantidade pela quebra das ligações covalentes.

� Se um elétron livre preencher a lacuna do átomo aceitador, este adquire uma carga líquida negativa.

� As lacunas são os portadores majoritários e os elétrons portadores � As lacunas são os portadores majoritários e os elétrons portadores minoritários.

Representação do semicondutor P

+ lacunas

- elétrons livres+ + + + + + - +

+ + - + + + + +

+ + + - + + + +

+ + + + + - + +- íon negativo

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6- CONDUÇÃO ELÉTRICA NOS SEMICONDUTORES

� Um elétron de valência adquire energia cinética suficiente para quebrar sua ligação covalente ( elétron livre).

� Será criado uma lacuna na ligação covalente que liberou o elétron.� O elétron livre preenche o vazio de uma lacuna existente.� Ocorre o deslocamento das lacunas num sentido e dos elétrons no sentido

oposto.

Elétron deslocado para direita...Lacuna Quebra da Elétron ocupará Existente da ligação covalente a lacuna ...lacuna para

esquerd a

íon positivo íon negativo

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QUESTIONÁRIO

01- Defina com suas próprias palavras o que significam material intrínseco, coeficiente de temperatura positivo e coeficiente de temperatura negativo e ligação covalente.

02- Pesquise e liste três materiais que tenham coeficiente de temperatura positivo e três que tenham coeficiente de temperatura negativo.

03- Explique a diferença entre materiais semicondutores do tipo N e do tipo P.

04- Explique a diferença entre impurezas doadores e aceitadoras.

05- Explique a diferença entre portador majoritário e minoritário.

Materiais Semicondutores

05- Explique a diferença entre portador majoritário e minoritário.

06- Descreva a formação de íons nos semicondutores N e P.

07- Esboce a estrutura atômica do silício e insira um átomo de arsênio como impureza. Qual o tipo de semicondutor formado?

08- Repita a questão anterior, inserindo agora um átomo de alumínio como impureza.

09- Descreva o fluxo de lacunas versus fluxo de elétrons nos materiais semicondutores.