2. Semicondutores 2.1 Introdução à física de semicondutores

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1 2. Semicondutores 2.1 Introdução à física de semicondutores Semicondutores: Grupo de materiais que apresentam características elétricas intermediárias entre metais e isolantes. Atualmente os semicondutores obedecem a duas classes básicas: orgânicas nas quais estão inseridos os polímeros e inorgânicas mais comumente utilizados atualmente. Os materiais se arranjam na forma amorfa e cristalina. Nossos estudos serão baseados em materiais semicondutores inorgânicos e com arranjo cristalino de longo alcance (policristalinos e monocristalinos). Métodos de obtenção mais comuns: Czochralski, floating zone, MBE e CVD s. JRocha 02_CE_2005 1

2 Bandas de energia Metal não há Eg devido a superposição das bandas Eg do Isolante > Semicondutor (intríseco) Nível de vácuo χ Banda de condução (LUMO) E g E F Banda de valência (HOMO) Eg: Energia da banda proibida (gap) χ : Afinidade eletrônica EF: Energia do nível de Fermi JRocha 02_CE_2005 2

3 Diversas são as aplicações dos materiais semicondutores intrísecos e dopados, utilizados isoladamente ou construídos em junções ou ligas com outros materiais. Em aplicações no campo da eletrônica podemos destacar o uso destes materiais em dispositivos eletroluminescentes, fotovoltaicos, retificadores, reguladores, chaveadores, enfim, algumas das quais serão base para nossos estudos. JRocha 02_CE_2005 3

4 2.2 Semicondutor intrínseco Ligação química covalente: Quatro elétrons em sua última camada (valência): átomos se ligam compartilhando elétrons se mantendo eletricamente isolantes! Cristais como de carbono na forma do diamante, e tetraédricas de Si, SiC ou GaAs são exemplos de semicondutores. Figura 2. 1: Representação de uma rede de um cristal de Si! São considerados materiais intrísecos aqueles que apresentam baixíssima concentração de dopantes (materiais diferentes na rede), < átomos/cm 2 se tratando do silício obtido por métodos de crescimento como Czochralski e Floating Zone. 2.3 Semicondutor extrínseco Excede e - e - livre JRocha 02_CE_2005 4

5 Figura 2. 2: Representação tipo N: Rede de Si (4 e - ) e P(5 e - ) Figura 2. 3: Representação tipo P: Rede de Si (4 e - ) e In(3 e - ) JRocha 02_CE_2005 5

6 Figura 2.4: Corrente elétrica - material N e no Material P (independente da polaridade) JRocha 02_CE_2005 6

7 χ Condução χ Condução E g E g E Fn φ N φ P E Fp Semicondutor tipo P Valência Semicondutor tipo N Figura 2. 5: Esquema de bandas material P e N antes do contato Potencial de Fermi : φf N = - KT/q ln (ND/ni) e φf p = + KT/q ln (NA/ni) Onde: K = 1,38x10-23 J/K, q=1,6x10-19 C, ND, NA e ni é a concentração de tipo N e tipo P e intríseca do material. Exemplo: Si obtido por Cz (10 14 cm -2 ) à temperatura 300K (KT/q = 0,026), tem dopagem ND = cm -2. Potencial de Fermi é: φf N = - 0,18 V. 2.4 Diodo Semicondutor: Junção PN A K JRocha 02_CE_2005 7

8 Figura 2. 6: Símbolo, estrutura, aspecto físico-químico e comercial JRocha 02_CE_2005 8

9 φ P - φ N B C φ N φ P E Fp = E Fn Figura 2. 7: Diagrama de energias após contato no equilíbrio térmico B V Exemplo: Sabe-se que o potencial do material p e n são respectivamente, 0,5 V e - 0,2 V. Qual o valor da barreira de potencial (degrau) após a junção térmica destes materiais? VD = V0 = φ P - φ N >> VD = 0,7 V Quanto teria em um diodo ideal? >> VD = 0,0 V >> Diodos comerciais de silício (VD ~ 0,7 V) Tipo VR ou PRV (V) IF ou ID (A) IR ou II (ma) 1N ,01 1N ,01 25E-6 1N N ,6 MR BY > Testes práticos JRocha 02_CE_2005 9

10 - Condição de junção PN: conduz no sentido direto e não conduz no sentido inverso - Curto circuito da junção: Conduz em ambos sentidos - Junção aberta: Não conduz em ambos sentidos Obs.: Borne preto (+) e borne vermelho (-) na escala de resistência dos multímetros analógicos. 2.5 Polarização direta/ inversa de junções PN I dif I der R S Figura 2. 8: Corrente de difusão de cargas majoritárias (corrente direta), e, corrente de deriva de cargas minoritárias (inversa) JRocha 02_CE_

11 V I I D2 I V R α I D1 V D V Figura 2. 9: Curva do dispositivo PN em funcionamento direto (VD) e funcionamento inverso (VR) na terceira aproximação Exemplo: Corrente direta do diodo (ID)? Sabe-se que: RB = 0,2 Ω, V D = 0,7 V, Vcc = 5 V e R S = 1 KΩ. R.: ID ~ IS >> ID ~ 4,3 ma Ex2: Dada a curva característica e traçada a reta de carga obteve-se: I S = 30 ma, V C = 3 V, V D = 0,8 V e I D = 10 ma. I I S I D Q V D Figura 2. 10: Ponto de operação Q/ Potência do dissipada (P D ). Qual o valor da resistência de shunt e a potência dissipada pelo diodo do ex.2? R S = I s / Vc = 100 Ω P D = V D I D = 80 mw V C V JRocha 02_CE_

12 2.6 Dispositivos baseados em uma junção PN > Diodo Zener Principais características à temperatura ambiente: - Tensão Zener inversa (V Z = I Z.R Z ) - Corrente Zener inversa (I Z ) - Potência Zener (P Z ) - Coeficiente de temperatura [mv/ o C] - Tolerância - Faixa de trabalho: I Zmím = 0,1I zmáx e Iz máx = P zmax /V Z Exemplos de diodos Zener: Serigrafia VZ (V) IZ (ma) PZ (W) Tolerância (%) BZX79 C2V4 2,4 5 0,4 2 ou 5 BZX79 C ,4 2 ou 5 BZV88 C ,3 5 BZT03 C ,25 5 BZW03 C Aplicações: Regulador de tensão; Grampeador... JRocha 02_CE_

13 Figura 2. 11: Diodo Zener ideal Figura 2. 12: Tensão de ruptura: Efeito Zener vs Efeito Avalanche ( V z / T e V z / I z ) Exemplo: Zener de 5,1 V - 10 mv/ o C com RS = 1KΩ e Vcc = 10 V a 25ºC e 75 o C. Temos: I S = 5,1 a 5,4 ma. JRocha 02_CE_

14 > Dispositivo eletroluminescente (exemplo: LED) Materiais de transição direta como GaP, GaAsP, GaAlAs, Alq3(VIS: λ nm) e GaAs (IR: > 750nm). Emissão espontânea (Einstein) Ex.: Eg MEH = 2,1 ev (hc ~ 2E-25J.m). Então: λ 592 nm. E C E G hc/λ Principais características: Corrente direta máxima (I FM ), corrente nominal (I F ), Tensão direta (V F ) e tensão reversa máxima (I R ). I F = 20 ma e V F = 1,7 V. R? E V R = (Vcc - V F ) / I F >> R = 65 Ω Obs.: η = 10 lm/w em GaAs JRocha 02_CE_