Semicondutores: Conceitos Básicos e Propriedades.
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Semicondutores:
Conceitos Básicos e Propriedades
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Experimentos no Século 19
• Efeito Hall: partículas de carga + e - q, onde q = 1.6E-19 C
• Ressonância Ciclotrônica: os portadores apresentam massa distinta em sólidos diferentes.
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Mecânica Quântica
• Elétron tem comportamento de partícula e/ou de onda, dependendo do caso.
• Solução da equação de Schrödinger resulta em estados quânticos para os elétrons:– discretos em átomos isolados– bandas de estados em sólidos.
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Lacuna
• É o efeito quântico dos elétrons da banda de valência.
• São “partículas” associadas aos poucos estados desocupados na banda de valência.
• Apresentam o efeito equivalente a partículas de carga positiva = + 1.6 E-19 C.
• Na verdade não existem como partícula, mas para efeitos práticos, podemos adotá-las como tal.
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Geração do Par Elétron-Lacuna
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Geração e Recombinação Térmica
• G = f(T, Eg)
• R = .p.n
• Em equilíbrio térmico:– G = R
• Em material Intrínseco:– n = p = ni = f(T, Eg) = 1.18E10/cm3, Si a 300K.
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Semicondutor Extrínseco
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Ionização dos Dopantes
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Densidade de Estados nas Bandas
32
2
Cnn
C
EEmmEg
32
2
EEmm
EgVpp
V
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Estatística de Distribuição
• Moléculas e átomos: Distribuição de Boltzmann
kTEE FeEf )(
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Estatística de Distribuição
• Elétrons em Estados Quânticos: Distribuição de Fermi-Dirac
kTEE FeEf
1
1)(
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Concentração de Portadores em Equilíbrio e Não Degenerado:
kT
EE
C
CF
eNn
.
kT
EE
V
FV
eNp
.
kT
EE
i
iF
enn
.
kTEE
i
Fi
enp
.
2. inpn
kTE
VCi
G
eNNn 2.
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Concentração de Portadores em Equilíbrio e Neutro:
• Intrínseco tipo n tipo p
D
i
D
N
np
Nn2
A
i
A
N
nn
Np2
inpn
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Posição do Nível de Fermi• Material tipo n Material tipo p
i
AiF
kTEEiA n
NkTEEenpN Fi ln..
i
DiF
kTEEiD n
NkTEEennN iF ln..
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Ação sobre Portadores• A) Deriva
)..()..( ,, npndpdnpder npqvnvpqJJJ
• B) Difusão
)..(
11
np npqJl
V
J
dx
dpDqJ Ppdif ..,
dx
dnDqJ NNdif ..,
q
kTD
N
N q
kTD
P
P
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Sentido da Corrente de Difusão
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Densidade de Corrente Total
dx
dpDqpqJ PPP .....
dx
dnDqnqJ NNN .....
NP JJJ
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c) Geração e Recombinação• U = R - G = recombinação líquida
• Em equilíbrio: U = 0
• Fora de equilíbrio e baixa injeção:Material tipo p Material tipo n
n
pnU
p
npU
Udt
dn
dt
dp
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Equações de Continuidade e de Difusão de Minoritários:
outrosterGRn t
n
t
nJ
qt
n
,
..1
outrosterGRp t
p
t
pJ
qt
p
,
..1
Ln
ppn
p Gn
x
nD
t
n
2
2
.
Lp
nnp
n Gp
x
pD
t
p
2
2
.
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Mecanismos de transporte
– Deriva resistores, transistores
FET
– Difusão junção pn, BJT
– Emissão termiônica barr. Schottky,
– Tunelamento diodo túnel, cont. ôhmico
– Recombinação LED, Laser, diodo p-i-n
– Geração célula solar, fotodiodo
– Avalanche IMPATT, ZENER, APD
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Blocos Construtivos