Electronica - Modulo 4 - Semicondutores

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    03-Jul-2015

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  • 1. Materiais semicondutoresEstrutura atmicaNeutres no tm cargaProtes tm carga positivaElectres tm carga negativa NeutresProtes Electres Nveis de energia-1- Antnio Pedro Andrade

2. Materiais semicondutoresUm electro ocupa de preferncia o estado de energia mnimo (rbita mais prximo do ncleo).Se fornecermos energia ele ir ocupar estados energticos mais elevados. Por outro lado, umdeterminado nvel de energia s pode estar ocupado por um determinado nmero de electres.Neste caso, ir ocupar nveis de energia imediatamente superiores.Esta teoria no vlida para estruturas cristalinas (uma estruturacristalina uma forma ordenada de arranjo de tomos) onde oselectres da ltima camada so influenciados pelos tomosa que pertencem e pelos tomos vizinhos. Deste modo, fazmais sentido afirmar que um electro da ltima camada nopertence a um determinado tomo mas sim estrutura cristalina.A esta banda de energia chama-se banda de valncia.-2-Antnio Pedro Andrade 3. Materiais semicondutores zona de energias permitidas para o electro acima da banda de valncia d-se o nome debanda de conduo. zona de energias no permitidas chama-se banda proibida. Banda de conduoElectreslivres Banda proibidaBlacunasA Isolador SemiC condutorcondutor Banda de valncia-3- Antnio Pedro Andrade 4. Materiais semicondutoresEm funo da largura de banda proibida de energia, podemos caracterizar vrios tipos demateriais:a) Isolador (A): a banda proibida muito larga o que implica fornecer muita energia para que o electro transite da banda de valncia para a de conduo. Assim, neste tipo de materiais no encontramos mutios electres livres nesta banda no sendo por conseguinte possvel a passagem da corrente elctrica. So os materiais denominados isoladores.b) Semicondutor (B): Sendo a banda proibida muito pequena, temperatura ambiente, muito fcil os electres transitaram da banda de valncia para a de conduo ( temperatura de zero absoluto comporta-se como um isolador). Neste caso, tornam-se condutores em virtude de termos muitos electres livres na banda de conduo. Por outro lado, ao abandonarem a banda de valncia deixam lugares por ocupar aos quais iremos chamar lacunas.c) Condutores (C): Neste caso a banda de valncia confunde-se com a de conduo. Deste modo, iremos ter uma grande disponibilidade de portadores de carga o que explica as boas propriedades condutoras de muitos metais.-4- Antnio Pedro Andrade 5. Materiais semicondutoresOs materiais mais utilizados nos semicondutores so o Germnio e o Silcio.O silcio (latim: silex, pedra dura, ingls: silicon) um elemento qumico de smbolo Si de nmeroatmico 14 (14 protes e 14 electres). temperatura ambiente, o silcio encontra-se no estadoslido. Foi descoberto por Jns Jacob Berzelius, em 1823 e o segundo elemento maisabundante da face da terra. Aparece na argila, feldspato, granito, quartzo e areia.O germnio um elemento qumico de smbolo Ge, nmero atmico 32 (32 protres e 32electres). temperatura ambiente, o germnio encontra-se no estado slido. um semi-metalslido, duro, cristalino, de colorao branco acinzentada, lustroso, quebradio. Os nicosminerais rentveis para a extrao do germnio so a germanita (69% de Ge) e ranierita (7-8% deGe); alm disso est presente no carvo, na argirodita e outros minerais.Ambos possuem 4 electres na ltima camada com energias correspondentes banda devalncia, ou seja, pertencem estrutura cristalina como um todo. Desta forma, a ligao entreos tomos so feitas por estes electres que no pertencem exclusivamente a cada tomomas so compartilhados entre eles.-5-Antnio Pedro Andrade 6. Materiais semicondutoresDo que foi anteriormente, a uma ligao qumica deste tipo chama-se covalente ElectresLigao valnciacovalentelacunaQuando um electro quebra a ligao covalentee transita para a banda de conduo torna-se umelectro livre. A energia necessria para que istoacontea de 0,72 eV para o Ge e 1,1 eV para oSilcio. (eV equivale a 1,6 x 1019 joules. Um electro-voltElectro a quantidade de energia cintica ganha por um nico livreelectro quando acelerado por uma diferena de potencialelctrico de um volt, no vcuo).-6- Antnio Pedro Andrade 7. Materiais semicondutoresNo slide anterior, vimos que um electro pode deixar um espao vago (lacuna) na ligaocovalente, o que significa que este espao pode vir a ser ocupado por outro electro deixando,assim, outra lacuna por ocupar. Deste modo, podemos pensar num movimento de electresmas, tambm, de uma conduo elctrica por parte das lacunas. Dito de outra forma, nossemicondutores assistimos a dois tipos de condutividade: movimento dos electres emovimento das lacunas.Podemos pois, concluir, que num semicondutor puro ou intrnseco, a concentrao doselectres igual das lacunas.Impurezas dadoras e aceitadorasNa prtica costuma-se misturar impurezas aos semicondutores para que se possa obter doistipos de semicondutores. As impurezas podem ser o Arsnio, Antimnio ou o Fsforo ou 5electres valncia ou o Boro, Glio e o ndio com trs electres valncia.Vejamos o que acontece quando se misturam estes elementos com o Germnio ou Slicio.-7- Antnio Pedro Andrade 8. Materiais semicondutores Electro livre 5Impureza do tipo nAo juntarmos impurezas como o Fsforo que possui 5 electres valncia, 4 ficam a fazer parteda ligao covalente enquanto que o quinto fica livre. Assim, vamos ter vrios electres quetransitam facilmente para a banda de conduo uma vez que esto pouco ligados estruturacristalina. Deste modo, obtemos um material onde os electres so portadores de cargamaioritrios enquanto que as lacunas so portadores minoritrios. A um semicondutor destetipo chamamos do tipo n.-8- Antnio Pedro Andrade 9. Materiais semicondutores Lacuna 3Impureza do tipo pAo juntarmos impurezas como o Glio (3 electres valncia) vamos ter falta de electres naestrutura cristalina. Deste modo, obtemos um material onde os electres so portadores decarga minoritrios enquanto que as lacunas so portadores maioritrios. A um semicondutordeste tipo chamamos do tipo p.-9- Antnio Pedro Andrade 10. Materiais semicondutores Dependncia com a temperatura A condutividade dos semicondutores aumenta com a temperatura devido gerao de maior nmero de portadores de carga. Inversamente diminui com a temperatura uma vez que a largura de banda proibida aumenta. Esta variao da condutividade pode ser aproveitada na construo de um dispositivo semicondutor chamado termistor. Este dispositivo (NTC) utilizado em circuitos de medio e controle de temperatura.- 10 -Antnio Pedro Andrade 11. Materiais semicondutores Juno PN Se juntarmos um semicondutor do tipo p a outro do tipo n, nas proximidades da unio ir verificar-se uma variao nas concentraes de portadores de carga. Os electres passam do lado n para o p e as lacunas do lado p para o lado n. Esta deslocao dos portadores denominada corrente de difuso ser tanto maior quanto maior forem as diferenas nas concentraes e durar at se restabelecer o equilbrio. Campo elctrico- + p n p- +n- + Juno pn zona de carga espacial- 11 -Antnio Pedro Andrade 12. Materiais semicondutores Diodo juno Uma juno deste tipo toma o nome de diodo de juno ou simplesmente diodo. iDCurva caractersticaA KmA do diodo 100p n 80 Ge iD 60 Si40nodo ctodo20 vD0,2 0,4 0,6 0,8 1vD volts- 12 - Antnio Pedro Andrade 13. Materiais semicondutores - Polarizao do diodo Quando polarizamos o diodo inversamente a tenso aplicada tende a puxar os portadores para longe da juno forando o crescimento da regio de carga espacial. Ao polarizarmos o diodo directamente, o valor da barreira de potencial diminui facilitando as correntes de difuso dos portadores maioritrios. Dito de outro modo, as lacunas do lado p so injectadas no lado n e os electres do lado n injectados no lado p. A corrente que circula no diodo a soma das correntes de difuso. No esquecer que a tenso VD tem que ser maior que um determinado valor a que chamamos tenso de limiar V.iDiD vDvD-+ +- Diodo polarizado inversamenteDiodo polarizado directamente- 13 - Antnio Pedro Andrade 14. Materiais semicondutores Diodo juno Caractersticas do diodo Curva caracterstica Tenso directa UF Polarizao iF directa Corrente directaIF Corrente directaURvR vF Tenso inversa Polarizao inversaiR Corrente inversa Corrente inversa IR- 14 - Antnio Pedro Andrade 15. Materiais semicondutores Circuitos equivalentes do dodo Como vimos pelas curvas caractersticas dos diodos, eles no comeam a conduzir imediatamente quando se aplica um d.d.p. aos seus terminais. S quando a tenso VD superior a 0,7V para o diodo de slicio e 0,2V para os de germnio que iremos ter iD. O diodo ideal seria aquele que conduziria mal se aplicasse uma d.d.p. aos seus terminais. O circuito desenhado em abaixo considera esta situao. 0,7V +-- 15 -Antnio Pedro Andrade 16. Materiais semicondutores A nomenclatura dos componentes, tm por objectivo identificar de forma fcil e unificada cada um dos dispositivos utilizados em eletrnica. Os principais cdigos normalizados so: PROELECTRON Europeu Duas letras + sequncia alfanumrica da srie (aplicaes comerciais) Trs letras + sequncia alfanumrica de srie (aplicaes profissionais) JEDEC Americano Um nmero + N + Sucesso alfanumrica de srie JIS Japons 2S + Sequncia alfanumrica de srie EX. 1N Cdigo americano (uma juno); 1S Cdigo Japons; BA Cdigo europeu. If corrente mxima directa Vr tenso mxima inversa- 16 - Antnio Pedro Andrade 17. Materiais semicondutores Aplicaes dos diodos Circuitos limitadores Por vezes temos necessidade de limitar sinais ou tenses a um valor pr-determinado, podendo ser negativo, positivo ou ambos. Por exemplo: Estes tipos de circuitos podem ser efectuados com diodos os quais tomam o nome de limitadores. Mesmo que a tenso de entrada Vi aumente, a tenso de sada Voser sempre igual ao valor da pilha mais o valor de conduo do diodo: VO= E + V. Vejamos dois casos:- 17 -Antnio Pedro Andrade 18. Materiais semicondutores Circuitos limitadores Consideremos o circuito abaixo onde temos 2 fontes de tenso, uma CC e outra CA. O diodo s conduz quando a tenso for E+ V. Se Vi for menor que E+ V