DIODOS - MATERIAIS SEMICONDUTORES

UNIVERSIDADE FEDERAL DA INTEGRAÇÃO LATINOAMERICANA

INSTITUTO LATINO-AMERICANO DE TECNOLOGIA, INFRAESTRUTURA E TERRITÓRIO

ENGENHARIA DE ENERGIAS RENOVÁVES

ELETRÔNICA BÁSICA

PROFESSORA LARISSA MACHADO

JHONY RODRIGO DA SILVA

FOZ DO IGUAÇU, 2015

DIODOS - MATERIAIS SEMICONDUTORES

Os semicondutores são materiais cuja condutividade varia com a temperatura, podendo comportar-se como condutor ou isolantes. Resulta que se deseja variações da condutividade não com a temperatura e sim controláveis eletricamente. Para que isso ocorra, se introduz átomos de outros elementos (impurezas) no semicondutor. Após a introdução dessas impurezas o material semicondutor apresenta uma condutividade controlável eletricamente. Existem dois tipos de impurezas, as P e N, que mudam a condutividade do silício e determinam o tipo de cristal a fabricar por exemplo. Devido a existir apenas esses dois tipos de impureza, apenas dois tipos fundamentais de cristais existirão. Cristais de impurezas tipo P e cristais de impureza tipo N.  O material semicondutor mais utilizado é o Silício (Si), mas existem outros semicondutores como o Germânio (Ge) que também são usados na fabricação de circuitos. O Silício está presente na maneira natural na areia, que encontramos em abundancia na natureza. Além disso, o Si, apresenta boas propriedades mecânicas e elétricas. Sua purificação é relativamente simples (chegando a Si puro de 99,99999%) e o Si é facilmente oxidado, formando SiO2 e formando um isolante que se utiliza em todos os transistores de tecnologia CMOS

CRISTAL DE SILICIO PURO  

Chamamos de semicondutor puro aquele em que os átomos constituintes são todos do mesmo tipo, não apresentam nenhuma classe de impureza.  [pic 1]

Figura 1

Podemos observar na Figura 1 a disposição esquemática dos átomos para um semicondutor de Si.  As regiões sombreadas representam a carga positiva neta dos núcleos e os pontos negros são os elétrons com menor aproximação dos mesmos.  A força que mantem os átomos unidos entre si é o resultado de cada um os elétrons de condução são compartidos pelos quatros vizinhos.

 A baixas temperaturas a estrutura normal é a que se mostra na Figura 1 em que não se observa nenhum elétron nem lacuna livre e por tanto o semicondutor se comporta como um isolante. [pic 2]

Figura 2

Em temperatura ambiente , algumas das uniões fortes entre os átomos se rompem devido ao aquecimento do semicondutor e como consequência alguns elétrons passam a ser livres. Na Figura 2 vemos esta situação. A ausência de um elétron que pertencia a união de dois átomos de Si representada por um círculo. Quando um elétron pode vencer a força que o mantem ligado ao núcleo e por tanto abandona sua posição, aparece uma lacuna e resulta na facilidade de um elétron de um átomo vizinho deixar seu lugar para preencher essa lacuna. Este elétron que deixa seu lugar para preencher outro, deixa uma lacuna na sua posição inicial. Desta forma a lacuna contribui para a corrente, o mesmo que o elétron, com uma trajetória de sentido oposto à deste. [pic 3]

NÍVEIS DE ENERGIA

Dentro de um sólido as energias possíveis dos elétrons estão agrupadas em bandas permitidas separadas por bandas proibidas devido à periodicidade do potencial criado por íons em sólidos. A Figura 3 e 4 mostra a representação das bandas de energia em um sólido. As bandas de energia mais profundas completamente ocupadas por elétrons são chamadas de bandas de valência, essas são inertes do ponto de vista elétrico e térmico. Correspondem aos níveis atômicos de energia mais baixa apenas levemente afetados pela presença de outros átomos no cristal. A banda parcialmente preenchida é chamada de banda de condução.

Nos materiais semicondutores à temperatura de zero Kelvin (zero absoluto), todos elétrons encontram-se na banda de valência. Neste estado o semicondutor tem características de um isolante, i.e., não conduz eletricidade. A medida que sua temperatura aumenta, os elétrons absorvem energia passando para a banda de condução. Esta "quantidade" de energia necessária para que o elétron efetue essa transição é chamada de gap de energia (em inglês band gap), ou banda proibida. À medida que a temperatura do semicondutor aumenta, o número de elétrons que passam para a banda de condução também aumenta, passando o semicondutor a conduzir mais eletricidade, caso seja exposto a uma diferença de potencial.[pic 4][pic 5]

Figura 3 – Condutor                                                                     Figura 4 – Isolante

CRISTAL TIPO N – CONDUÇÃO

Nesse caso está impurificado com as impurezas doadoras, que são impurezas pentavalentes. Como os elétrons superam as lacunas em um semicondutor tipo n, recebe o nome de portadores maioritários, enquanto que as lacunas se denomina portadores minoritários. Ao aplicar uma tensão ao semicondutor da Figura 5, os elétrons livres dentro do semicondutor se move para esquerda e as lacunas para a direita. Quando uma lacuna chega ao extremo direito do cristal, um dos elétrons do circuito externo entra no semicondutor e se recombina com a lacuna.

Figura 5[pic 6]

Os elétrons livres circulam até o extremo esquerdo do cristal, onde entram no condutor e fluem até o positivo da bateria. O número de eletros livres se chama n (elétrons livres/metro cubico). [pic 7]

Figura 6

 [pic 8]

[pic 9]

 [pic 10][pic 11][pic 12]

CRISTAL TIPO P – CONDUÇÃO

Neste caso está impurificado com impurezas aceitadoras, que são impurezas trivalentes. Como o número de lacunas supera o número de elétrons livres, as lacunas são os portadores maioritários e os elétrons livros os portadores minoritários. Quando se aplica uma tensão, os elétrons livres se movem para a esquerda e as lacunas para a direita. As lacunas que chegam ao extremo direito do cristal se recombinam com os elétrons livres do circuito externo. [pic 13]