Fundamentos de Electrnica Semicondutores Metais q q Os

Fundamentos de Electrónica Semicondutores

Metais q q Os metais possuem uma estrutura química tal que os electrões de valência não estão associados a um determinado átomo. Pelo contrário estes circulam por todo o metal. Os electrões de valência dos metais são designados de electrões livres e são os responsáveis pela corrente eléctrica. Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 2

Semicondutores n Semicondutores q Os materiais semicondutores tais como o Germânio e o Silício são cristais com quatro electrões de valência por átomo. Estes associam-se a átomos vizinhos através de ligações covalentes em que existe uma partilha de electrões entre os átomos. Daqui resulta uma orbital de oito electrões, o que corresponde a um sistema bastante estável. Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 3

Estrutura de um cristal semicondutor Átomo de Silício com quatro electrões de valência Núcleo dos átomos de Silício Electrões de valência +4 +4 +4 Ligações covalentes +4 +4 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 +4 4

Portadores de corrente n Os electrões de valência partilhados nas ligações covalentes forte ligação ao núcleo n n Á temperatura ambiente libertam-se electrões das ligações e originam electrões livres. Para cada electrão livre deve existir uma falha na ligação covalente: lacuna ou buraco Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 5

Formação de pares electrão lacuna Temperatura ambiente Electrão livre +4 +4 +4 Lacuna ou buraco +4 +4 +4 Ligações covalentes Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 6

Portadores de corrente n Electrões livres q n Cargas negativas responsáveis pela geração de corrente Lacunas q Falhas nas ligações covalente que são equivalentes a cargas positivas. n q O deslocamento de electrões de forma a ocupar a lacuna é equivalente à deslocação da lacuna no sentido inverso. São igualmente responsáveis pela geração de corrente Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 7

Resistência n Resistência á temperatura ambiente: q q n < metais >> isolantes Um cubo de Sílicio com um centímetro de lado apresenta uma resistividade de 230 k. Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 8

Deslocamento de lacunas. Campo eléctrico Deslocamento de lacunas +4 Deslocamento de electrões +4 A existência de uma ligação covalente incompleta torna fácil o deslocamento de um electrão de uma ligação para outra. Tal provoca o movimento das lacunas no sentido contrário, ou seja como, Cargas positivas Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 9

Ionização e recombinação n n Á temperatura ambiente são produzidas pares electrões lacunas, devido as colisões entre átomos: ionização Quando um electrão livre se encontra com uma lacuna, este preenche a lacuna, eliminando-se mutuamente: recombinação Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 10

Densidade de portadores n Dos fenómenos de ionização e recombinação resulta que a uma dada temperatura a concentração de electrões livres e de lacunas é dada por. . Num cristal de silício (intrínseco) puro temos Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 11

Mecanismos de formação de corrente n Metais q n Deriva Semicondutores q Deriva n q Movimentação dos electrões livres e das lacunas sobe acção de um campo eléctrico Difusão n Movimentação dos electrões livres e das lacunas devido a variação de concentração destes. Produz uma deslocação das cargas da zona de maior concentração para a zona de menor concentração. Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 12

Corrente de difusão Notar que (relação de Einstein): p Concentração de lacunas + + + x Corrente de difusão Densidade de corrente de difusão de lacunas: Densidade de corrente Carga do electrão Densidade de corrente de difusão de electrões livres: Constante de difusão Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 13

Corrente de deriva n Deslocamento de portadores sobe acção de um campo eléctrico q Lacunas Campo eléctrico q electrões Velocidade de deslocamento das partículas Mobilidade (dos electrões) Densidade de corrente de deriva Daqui resulta: Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 14

Semicondutores Dopados n Introdução de impurezas nos semicondutores altera as suas características eléctricas de forma a que um dos portadores se torna maioritário. q q Tipo n - introdução de impurezas dadoras que fornecem electrões, nomeadamente com cinco electrões de valência. Tipo p – introdução de impurezas receptoras com défice de electrões, nomeadamente com três electrões de valência. Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 15

Semicondutores Dopados +4 +4 +5 Impureza dadora +4 +4 +3 Impureza aceitadora lacuna +4 Electrão livre +4 +4 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 +4 Semicondutor tipo-n Impurezas com 5 electrões de valência Semicondutor tipo-p Impurezas com 3 electrões de valência 16

Densidade de portadores em semicondutores dopados n Tipo – n q n O número de electrões livres é aproximadamente igual ao número de átomos de impurezas introduzidas. Sabe-se que, donde Tipo - p q O número de lacunas é aproximadamente igual ao número de átomos de impurezas introduzidas. Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 donde 17