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Eletrônica Básica
Aula 01: Semicondutor Intrínseco
Referencias
Aula 01: Semicondutor Intrínseco
Referencias
MALVINO, Albert. Eletronica V1
ALBUQUERQUE, R.O. ; PINTO, L. F. Eletronica Analogica. V2. São Paulo: Fundação Pe. Anchieta
SEDRA, A. Microeletronica
SEDRA, A. Microeletronica
Prof Me. Romulo Oliveira Albuquerque
1 A Eletrônica
Em cursos anteriores, Circuitos Elétricos em CC e CA, os circuitos elétricos foram estudados. Circuitos elétricos são constituídos de componentes passivos conectados entre por fios. Em um circuito eletrônico de alguma forma o fluxo de corrente pode ser controlado por outro dispositivo, chamado de ativo. De uma certa forma em circuitos elétricos temos dispositivos que controlam o fluxo da corrente, tais como chaves, potenciômetros e outros. Em eletrônica a diferença é que ao invés de usar força mecânica para efetuar isso, usamos dispositivos eletrônicos par esse controle. Isto é, é a eletricidade controlando a eletricidade, essa é a principal diferença entre esses dois mundos.
A eletrônica é fundamentada em dispositivos semicondutores, isto é, dispositivos construídos a partir de um tipo de material chamado semicondutor.
Semicondutor Intrínseco
1.1 Introdução
Os materiais usados em eletrônica se classificam em condutores (Ex: cobre , alumínio, ferro, ouro, prata, etc) e isolantes (Ex: madeira, borracha, ar, vidro, etc), mas existe um outro tipo de material chamado de semicondutor (pois tem resistividade intermediaria entre condutor e isolante) que também é largamente usado em eletrônica principalmente depois dos anos 50. Estes materiais ao contrario dos condutores tem a sua resistividade alterada quando é fornecida algum tipo de radiação (térmica e luminosa principalmente). Devido às suas características esses materiais são usados construção de diodos, transistores, sensores, circuitos integrados e numa vasta gama de componentes eletrônicos.
1.2 Semicondutor Intrínseco
Para entendermos as características de um semicondutor deveremos fazer uma analise do ponto de vista atômico (átomo).
A figura 1a mostra a estrutura de um átomo de Si, no qual podemos verificar que o mesmo tem 4 elétrons na camada de valencia (ultima camada). Como é essa ultima camada que determinará as propriedades do Si, a partir de agora a só consideraremos o núcleo, positivo e os quatro elétrons da camada de valencia, figura 1b
( a ) ( b )
Figura 1 - Estrutura simplificada do átomo de Si
É importante observar que o átomo é neutro, pois o numero de elétrons é igual ao numero de prótons. O Si é um cristal, isto é, o arranjo geométrico dos átomos é feito de forma regular e ordenada em todas as direções. No caso esse arranjo é chamada de cúbico, no qual cada átomo se liga com quatro átomos vizinhos através de ligações chamadas de covalentes. A Figura 2 mostra esse arranjo.
Obs: Não esquecer que na realidade os atomos estão dispostos no espaço em 3 dimensões.
Figura 2 - Estrutura cristalina do Si a 0 K ( -273ºC) - O material se comporta como isolante pois não tem cargas livres
À temperaturas próximas do zero absoluto (-273ºC ) o Si se comporta como um isolante porque não existem elétrons livres disponíveis para a condução. À medida que a temperatura aumenta a energia que é fornecida aos elétrons da ultima camada (camada de valência ) é suficiente para " quebrar" a ligação covalente fazendo com que os mesmos se tornem livres. O extraordinário desse fenômeno é que, além do elétron que foi liberado, a ausência desse elétron na ligação covalente pode se comportar como carga elétrica, e chamada de lacuna ou buraco. A Figura 3 mostra a mesma estrutura da Figura 2 considerando que algumas ligações covalentes foram rompidas.A quantidade de energia necessária para quebrar uma ligação depende do semicondutor, no caso do Ge é 0,72eV e para o Si 1,1eV, à temperatura ambiente.
Figura 3 - Estrutura do Si a uma temperatura acima de 0 K ( acima de - 273ºC ) - Geração de pares elétron-lacuna
Se agora for aplicado um campo elétrico (tensão elétrica) ao cristal uma corrente elétrica aparecerá. O mecanismo de condução devido aos elétrons livres já é conhecido, expliquemos como é o mecanismo de condução devido a uma lacuna. A Figura 4a mostra o cristal de Si sendo submetido a um campo elétrico. Os elétrons livres se deslocarão contra o campo elétrico, enquanto as lacunas se deslocarão no mesmo sentido do campo. Mas como isso acontece? A seqüência de Figuras a seguir mostra como isso acontece. Na Figura 4a, num instante t1 temos um elétron livre (circulo preto) e a ausência desse elétron na ligação covalente (circulo branco).
Instante t1
Figura 4 - Cristal de Si submetido a um campo elétrico (tensão elétrica ) num instante t1
Num instante t2 um elétron de valência, de um atomo vizinho, caso tenha energia suficiente (quem está fornecendo essa energia é a fonte externa ) poderá ocupar a lacuna, mas ao fazer isso deixa uma lacuna, e assim sucessivamente. As Figura 5 e Figura 6 mostram essa seqüência. Então tudo se passa com se uma carga positiva estivesse se deslocando para a direita do cristal, na realidade são elétrons de valência que se deslocam no sentido contrário. Observar que esses elétrons de valência se transformam em elétrons livres quando entram no metal (não esqueça o semicondutor está ligado à bateria através de fios de cobre!!!).
Instante t2
Figura 5 - Cristal de Si submetido a um campo elétrico ( tensão elétrica ) num instante t2
Instante t3
Figura 6 - Cristal de Si submetido a um campo elétrico ( tensão elétrica ) num instante t3
A corrente total no cristal será a soma do fluxo de elétrons com o fluxo de lacunas: IT = Ie + I
No caso de um semicondutor intrínseco (puro) o numero de elétrons por unidade de volume (n) é igual ao numero de lacunas por unidade de volume (p):
No caso de um semicondutor intrínseco (puro) o numero de elétrons por unidade de volume (n) é igual ao numero de lacunas por unidade de volume (p):
n = p =ni, ni é a concentração intrínseca do semicondutor. A concentração intrinseca depende da temperatura.
Figura 7 - Concentração intrinseca do Ge e Si a 27 Graus Celsius
Observe que a concentração intrinseca do Ge é aproximadamente 1000 vezes maior que a do Si, isso é muito importante pois justifica porqu não se usa mais o Ge, é muito sensivel a temperatura. Se a temperatura aumentar quebra-se mais ligações covalentes, aumentando a concentração intrinseca.
Observe que a concentração intrinseca do Ge é aproximadamente 1000 vezes maior que a do Si, isso é muito importante pois justifica porqu não se usa mais o Ge, é muito sensivel a temperatura. Se a temperatura aumentar quebra-se mais ligações covalentes, aumentando a concentração intrinseca.
Recombinação
É o mecanismo pelo qual um elétron livre ao encontrar uma lacuna passa a fazer parte da ligação covalente, desaparecendo o par eletron-lacuna.
Se a temperatura do cristal está aumentando, a taxa de geração dos pares eletron-lacuna é maior do que a taxa de recombinação e portanto a concentração intrinseca aumenta.
Se a temperatura do cristal está diminuindo, a taxa de recombinação é maior do que a de geração e, portanto o numero de pares eletron lacuna diminui.
Se a temperatura é constante o número de elétrons livres e de lacunas permanece constante pois a taxa de recombinação é igual à de geração dos pares elétron lacuna.