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Aula01 Indice de Aulas Aula03

Eletrônica Básica 1
Aula 02: Semicondutor Extrínseco

1. Semicondutores Extrínsecos

O semicondutor visto anteriormente tem como principal característica o fato da concentração (numero de portadores por cm3) de elétrons livres ser igual à de lacunas e o seu número ser altamente depende da temperatura. Um semicondutor extrínseco terá algumas de suas características elétricas (como por exemplo a condutividade) alterada se forem adicionadas impurezas com níveis de concentração adequados.

1.1. Semicondutor Tipo N

O semicondutor tipo N é obtido adicionando-se quantidades controladas de impurezas pentavalente ao material puro (semicondutor intrínseco). Por exemplo adicionando-se o fósforo (P) o qual é pentavalente (5 elétrons na camada de valência), o mesmo substituirá um átomo de semicondutor (Ge ou Si) no cristal. Quatro dos seus elétrons serão compartilhados com quatro átomos vizinhos de Si enquanto o quinto elétron poderá se tornar livre em temperaturas muito baixas sem que seja gerado lacuna, Figura 1.

( a ) ( b )

Figura 1 - ( a ) Átomo de fósforo ligado a quatro átomos de Si ( b ) quinto elétron livre, gera um íon preso à estrutura cristalina

Desta forma inicialmente só teremos elétrons livres como portadores de carga, por isso o material é chamado de N e a impureza de doadora. Aumentando-se mais ainda a temperatura será atingida uma temperatura para a qual serão gerados os pares elétron-lacuna. Os elétrons livres são chamados de portadores majoritários enquanto as lacunas são chamadas de portadores minoritários.

Se N_D é a concentração de átomos da impureza por cm³, a concentração de elétrons livres no equilíbrio térmico (taxa de geração de pares elétron-lacuna = taxa de recombinação de pares), n_n0, será dada por:

isto é, o numero de eletrons livres é praticamente igual ao numero de atomos da impureza doadora.

e a concentração de lacunas será calculada aproximadamente por:

onde ni é a concentração intrinseca de pares eletron-lacuna, valendo 2,5x10¹³ cm^-3 para o Ge e 1,5x10¹⁰ cm^-3 para o Si a temperatura ambiente de 27ºC.

Como n_i depende da temperatura, significará que a concentração de lacunas será dependente da temperatura, porém como a concentração de elétrons livres será praticamente igual N_D então não dependerá da temperatura.

Não esqueça: os portadores minoritarios, lacunas neste caso, são gerados termicamente!!!!

1.2. Semicondutor Tipo P

O semicondutor tipo P é obtido adicionando-se quantidades controladas de impurezas trivalente ao material puro (semicondutor intrínseco). Um exemplo deste tipo de impureza é o boro (B). Como o boro é trivalente os seus três elétrons de valencia serão compartilhados com quatro átomos de Si, porém uma das ligações não será completada. Em temperaturas extremamente baixas o material é isolante. Quando a temperatura aumentar, será atingida uma temperatura (temperatura de ionização, ti) que provocará o deslocamento de um elétron de valência de um átomo vizinho para ocupar aquela vaga fazendo aparecer uma lacuna sem que eletron livre seja gerado, Figura 2a.

( a ) ( b )

Figura 2- ( a ) Átomo de boro ligado a tres átomos de Si ( b ) eletron de valencia de um atomo de Si vizinho ocupa a ligação não completada gerando um íon preso à estrutura cristalina e uma lacuna.

2. A Junção PN

A junção PN é o elemento básico na construção de quase todos os dispositivos da eletrônica tais como diodos, transistores, células solares, LEDs e circuitos eletrônicos.

Na Figura 3, é considerado que a dopagem das duas regiões é a mesma, isto é, ND=NA.Na Figura 3 tambem não estão representados os portadores minoritarios, lacunas no lado N e eletrons livres do lado P.

( a ) ( b )

Figura 3 - ( a ) Barra de material P e ( b ) barra de material N, para formação da junção

Difusão

A diferença de concentração de portadores entre dois pontos provoca um fluxo de cargas. Esse fenômeno é análogo à difusão de gases e por isso é chamada de corrente de difusão.

2.1. Formando a Junção – A junção PN em aberto

Quando as duas regiões são colocadas em contato, devido à diferença de concentração aparece uma corrente: de elétrons livres indo da região N para a P e de lacunas da região P para a N – corrente de difusão, Figura 4a. Apos um tempo haverá um equilibrio, isto é, a soma das correntes atraves da junção é nula e aparece a r.c.e (região de carga espacial) ou região de depleção, Figura 4b

( a )

( b )
Figura 4 - Formação da junção ( a ) corrente de difusão inicial ( b ) aparecimento da barreira de cargas espaciais

A corrente de difusão, ID, provoca o aparecimento da região de carga espacial (r.c.e) que é livre de portadores de carga, existindo somente íons da impureza, negativo do lado P e positivo do lado N. Associado às cargas fixas dos dois lados da junção aparece uma tensão chamada de barreira de potencial de aproximadamente 0,6V/0,7V no caso do Si e 0,3V/0,4V do Ge. A barreira de potencial se opõe ao fluxo de portadores majoritarios, (difusão) mas ajuda a corrente de portadores minoritários Is (Corrente reversa de saturação).

No equilibrio, atraves da junção haverá um fluxo de portadores minoritarios (eletrons livres do lado P para o lado N e de lacunas do lado N para o lado P) e de portadores majoritarios (eletrons livres do lado N para o lado P e lacunas do lado P para o lado N), Figura 5.

Figura 5 - Junção PN no equilibrio

No equilíbrio a soma das correntes através da junção é nula: Is + ID=0

2.2. A Junção PN em polarizada reversamente

Com polarização reversa (pólo positivo da bateria ligado no lado N e pólo negativo do P) a região de carga espacial aumenta (r.c.e)de largura, aumentando a barreira de potencial. A corrente de difusão (portadores majoritários) se anula, só existe a corrente reversa de saturação, Is, de portadores minoritários que depende da temperatura. Se a dopagem é a mesma dos dois lados a largura da r.c.e será a mesma dos dois lados da junção.

Figura 6 - Junção PN polarizada reversamente

A corrente externa vale: I=Is (nA para Si e uA para Ge) só depende da temperatura.

2.3. A Junção PN polarizada diretamente

Com polarização direta (pólo positivo da bateria ligado no lado P e pólo negativo do N) a região de carga espacial diminui , diminuindo a barreira de potencial se a tensão aplicada externa for maior que 0,6V (Si) e 0,3V(Ge). A corrente de difusão (ID) de portadores majoritários aumenta.

Figura 7 - Junção PN polarizada diretamente

A corrente externa vale: I=ID – IS=ID e so depende da tensão externa.

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