Analogica I (2) Semicondutores Juncao PN 2013

7/23/2019 Analogica I (2) Semicondutores Juncao PN 2013

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Universidade Federal de ItajubáInstituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação

Engenharia da Computação

ELT303 – Eletrônica Analógica I

Materiais Semicondutores e Junção PN

Prof. Paulo C. Crepaldi Prof. Carlos Waldecir de Soua



Universidade Federal de ItajubáInstituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação

Engenharia da Computação

Atenção

O material constante destas notas de aula foi preparado com base na

bibliografia recomendada e destina-se a servir como um apoio aoacompanhamento da disciplina.

Em alguns slides são utilizados recursos coletados da INTENET econsiderados de dom!nio p"blico.



3

esistividade! Conceito

#"

#

I

$

A

%onsidere uma amostra de um materialsubmetida a uma diferença de potencial

&#' como ilustrado ao lado.

(ela lei de Ohm) a corrente &I' mant*muma relação com # atrav*s de uma

grandeza +ue * a esist$ncia El%trica & ',

!eorge Si"on #$" %&'() – &(*+,

A esistncia El*trica depende dageometria && e '' da amostra e de uma

caracter!stica intr!nseca do material +ue *a esistividade &ρ',

R

V I =

A

L ρ R =

O/, Entende-se por corrente el*trica a deriva de portadores de carga em função da presença de um campo

el*trico &Adendo 0'.



4

esistividade! Conceito

%ondutores

12.03045uartzo &fundido'6.03078ica2.03079mbar

030: a 030;#idro:0)<.03<Sil(cio &puro'

<1)erm*nio &puro':)4.03-7Alum!nio:);.03-7Ouro 0)1.03

-7

%obre

0)7.03-7(rata

esistividade&Ohm.cm'

Elemento

/emicondutores

Isolantes

=ependendo do valor da resistividade) podemos classificar os materiais emcondutores &op>em bai?a resistncia ao flu?o de corrente') isolantes &op>em alta

resistncia ao flu?o de corrente' e semicondutores &apresentam valores de

resistncia entre os limites dos condutores e isolantes'.

Ta-ela Co"paratia entre n/eis de esistiidade

%#-serar as 1rias ordens de grandea 2ue separa" os li"ites inferior e superior da esistiidade,



5

esistividade! Tabela Comparativa e Elementos Semicondutores+simples e compostos,

Ta-ela Co"paratia entre n/eis de esistiidade e Condutiidade

e

Ele"entos Se"icondutores %Si"ples ou Co"postos,



6

-ateriais Semicondutores! Sil(cio

(rincipais motivos para o uso de materiais semicondutores na ind"stria eletr@nica,

Obtenção de altos graus de pureza &Adendo :'

=isponibilidade &:3B a ;3B da crosta terrestre - silicatos'8odificação de suas caracter!sticas el*tricas em função da .opagem) da

Temperatura e da &u/ &possibilidade de fabricação de dispositivosespecializados) por e?emplo) sensores'.

As anClises a seguir serão baseadas no materialsemicondutor Sil(cio. %ontudo) todos os conceitos

apresentados podem ser) +ualitativamente) estendidos paraoutros materiais semicondutores &simples ou compostos'.

Sil/cio e" estado -ruto

Cilindro de Sil/cio processado e pronto

para ser cortado4 para a o-ten56o dos

Wafers4



7

Sil(cio! Estrutura 't0mica +1tomo de 2ohr,

(ara compreender as caracter!sticas el*tricas do semicondutor/il!cio &/i' * necessCrio uma investigação em n!vel

at@mico. (ara tanto) reproduz-se a+ui o -odelo de 2ohr para um Ctomo de /i. Observar +ue apesar de ser uma

estrutura tridimensional) ele estC representado de umaforma planar.

7iels 8enri9 :aid ;o$r %&((*<&)=>,

7?cleo

=ois componentes principais,

Dm n"cleo) em +ue estão presentes 34 5r6tons &carga positiva' e 34 7$utrons &carga nula'

Dma eletrosfera) em +ue estão presentes 34

El%trons &carga negativa'.

E?iste um e8uil(brio eletrostático uma vez +ue ascargas positivas e negativas estão em igualdade.



8

Sil(cio! Estrutura 't0mica +1tomo de 2ohr,

A distribuição dos el*trons obedece a solução dae8uação de Schr9dinger +ue +uantifica a energia total

&potencial cin*tica' destes portadores.

Esta solução indica +ue e?istem Frbitas espec!ficasestabelecendo n(veis discretos de energia. Entre as

Frbitas e?iste um )ap de energia +ue representa estados proibidos.

5uanto mais afastada a Frbita) maior o estado deenergia.

E?iste uma tendncia na natureza para +ue os sistemas fi+uem nos seus estadosm(nimos de energia. Então) estão preenchidas as ; primeiras Frbitas o +ue não

significa +ue e?istam outras Frbitas mais e?ternas +ue tamb*m representam soluç>es

para o e+uacionamento de /chrGdinger.

A "ltima Frbita * chamada de 6rbita de val$ncia e possui < el*trons. Assim) o /i *dito ser tetravalente.

A Frbita de valncia) atrav*s de seus el*trons) * responsCvel pelas propriedades

+u!micas e el*tricas do material.

Er@in Sc$rdinger. %&((' < &)=&,



9

Sil(cio! 1tomo de 2ohr +7(veis de Energia,

E?iste a possibilidade de se alterar o posicionamento de um el*tron mudando-o deuma Frbita para outra. (ara ascender a uma Frbita superior * necessCrio receber

energia e:terna +ue seHa pelo menos igual energia do Jap.

Ao retornar orbita inferior &lembre-se +ue os sistemas tendem a estar nos estadosde energia m!nima' deve liberar a diferença de energia relativa ao Jap.

∆E B gap ∆E gap

(or estarem mais fracamente presos ao n"cleo &atraçãoeletrostCtica') os el*trons daFrbita de valncia são os +ue

mais tm a maior probabilidade de) ao receberenergia) passarem para Frbitas

mais e?ternas.

A energia e?terna entregue ao Ctomo pode estar na forma de lu/) calor) ou ainda)resultante do cho8ue de outra part(cula com o el%tron. A energia liberada pode

estar na forma de calor ou de lu/.



10

Sil(cio! &igaç;es Covalentes e Estrutura Cristalina

A mecKnica +uKntica mostra +ue para um material ad+uirir estabilidade +u!mica *necessCrio +ue a 6rbita de val$ncia possua < el%trons. %omo o Ctomo de /i *

tetravalente) ele se une a outros < Ctomos para estabelecer um compartilhamento daFrbita de valncia e) desta forma) cada Ctomo possuir) dinamicamente) os 4 el*trons

necessCrios para a estabilidade. Este tipo de ligação * chamada de ligaçãocovalente. Novamente) a representação estC sendo

feita de uma forma planar. Na realidade)ao formar as ligaç>es covalentes) o

sil!cio apresenta uma estruturatridimensional harm@nica &estruturacristalina' +ue se repete no espaço.

Liga56oCo.alente

Dr-ita dealFncia

Cristal de Sil/cioLiga5Ges Coalentes no Sil/cio



11

Sil(cio! Estrutura Cristalina +Semicondutor Intr(nseco,

O sil!cio em sua forma cristalina) para ser utilizado na industria de semicondutores) passa por um processo de purificação em alto grau &66)6666B'. Isto significa algo

em torno de 3 átomo de impure/a para cada 3= bilh;es de átomos de sil(cio.

Neste caso) o cristal de sil!cio * dito ser intr(nseco) ou seHa) as suas propriedadesel*tricas são função apenas dos Ctomos de sil!cio e não dos Ctomos de impurezas.

=eve-se observar) ainda) +ue o cristal de sil!cio permanece eletricamente neutro pois o n"mero de prFtons continua sendo contrabalançado) em igualdade) pelo

n"mero de el*trons.

Sil(cio! -odelo de Cargas Envolventes

=ependendo da posição do Ctomo de /i na estrutura cristalina) ele pode apresentar

uma pe+uena diferença nos n!veis de energia +ue representam as suas Frbitas. 3cm> de uma amostra de /i intr!nseco possui) apro?imadamente) ?@3=AA Ctomos) ou seHa) ao

representar as Frbitas) vai aparecer uma grande +uantidade delas muito prF?imasumas das outras. Este conHunto de Frbitas passa a ser chamado de 2anda de

Energia e) particularmente para a "ltima Frbita) teremos uma 2anda de Bal$ncia

+2B,.



12

Cristal de Sil(cio! 2andas de Energia e )eração T%rmica de 5aresEl%tron&acuna

O cristal de sil!cio apresenta uma

Jap de 3D3eB entre a anda de#alncia e a anda de Energiarelativa s prF?imas Frbitas

&Adendo ;'

Na temperatura ambiente &TA8L :13% L ;33M') a

energia t*rmica cedida ao cristal permite8uebrar algumas ligaç>es covalentes&0)2.0303Pcm;'. Assim) el*trons passam da # paraa prF?ima de anda de Energia dei?ando em seu

lugar uma ligação covalente incompleta. A

ausncia deste el*tron * denominada de lacuna.O processo recebe o nome de, )eração de 5ares

El%tron&acuna.

%omo e?iste a tendncia do material estar no seuestado de energia m!nimo) el*trons retornam para

a # liberando energia. Este processo * chamadoecombinação e restabelece a ligação covalente

+uebrada.

Em uma situação de E8uil(brio T%rmico,

Ta:a de )eração G Ta:a de ecombinação

+ a ór-ita H ;anda de Energia

!ap

Dr-ita de alFncia H ;anda de alFncia %;,

E IeJ



13

Cristal de Sil(cio! Corrente de El%trons e de &acunas

/e aplicarmos uma diferença de potencial &ddp'a um cristal de sil!cio &TA8' vamosobservar a presença de uma corrente el*trica. %ontudo) diferentemente de um

material metClico) esta corrente * composta por dois tipos de portadores, os el*trons

e as lacunas. Na anda de Energia acima da # e:istem muitos n(veis de energia dispon(veis e

uma +uantidade reduzida de el*trons. (ela presença da ddp) estes el*trons) com pe+uenos aHustes de energia) podem caminhar de um Ctomo para outro estabelecendo

um flu?o ordenado de portadores de carga. Os el*trons presentes nesta anda de

Energia) pela sua liberdade de locomoção) são chamados de el%trons livres e por permitir a condução de uma corrente el*trica a banda passa a se chamar de 2anda deCondução +2C,.

Cristal de Sil/cio

%Intr/nseco,

elKtrons

lacunas

;C

;E

L<

ddp EJ

corrente de elKtrons %I7

,

corrente de lacunas %IP

,

A figura ao lado ilustra a presença destacorrente de el*trons &I

N' e a sua

representação em termos de circuitoel*trico serC a convencional &flu?o

contrCrio ao flu?o dos el*trons uma vez+ue são modelados como portadores de

carga negativa'.



14

Cristal de Sil(cio! Corrente de El%trons e de &acunas

Cristal de Sil/cio

%Intr/nseco,

elKtrons

lacunas

;C

;E

L<

ddp EJ

corrente de elKtrons %I7

,

corrente de lacunas %I P ,

As lacunas tamb*m contribuem parao transporte de corrente no /i. /e

consideramos +ue os el*trons na #

estão em constante movimento) eles podem &tamb*m com pe+uenos

aHustes de energia e sob ação da ddp'ir passando de lacuna em lacunafazendo parecer +ue ela estC se

deslocando em sentido contrário.As lacunas são modeladas) então)

como portadores de carga positivos e constituem uma corrente el*trica

&I(' na #.

Mo.i"ento do ElKtron

Mo.i"ento da Lacuna

A figura ao lado ilustra a presença destacorrente de lacunas &I(' e a suarepresentação convencional.



15

Semicondutores! Hbservaç;es Importantes

A corrente total) no cristal semicondutor) * a soma das correntes de el*trons e de

lacunas &IT G I7 " I5' (or apresentar a condução de corrente atrav*s de dois tipos de portadores) o

material semicondutor recebe a denominação bipolar

Na temperatura de zero absoluto &-:1;)023%' o semicondutor comporta-se como

um isolante uma vez +ue não e?iste a geração t*rmica de pares el*tron-lacuna O coeficiente t%rmico da resistividade do semicondutor % negativo) ou seHa) um

aumento na temperatura representa uma diminuição na resistividade &Si G =D=?=C3 e )e =D=4< =C3'

(or estarem na %) onde e?iste uma grande disponibilidade de estados de energia)os el*trons apresentam uma maior 8obilidade &µ' em relação s lacunas +ue estãona # & 7 J 34== cmAKB@s e 5 J 4?= cmAKB@s'. Em termos prCticos)considerar a mobilidade dos el*trons de : a ; vezes maior.



16

Semicondutores! Cristais E:tr(nsecos

(ara aumentar a capacidade de corrente dos semicondutores intr!nsecos e) com isto) poder produzir dispositivos eletr@nicos dentro de uma realidade prCtica de uso)estes cristais passam por um processo chamado de .opagem. Dm cristal dopado

*) então) dito ser E:tr(nseco.Atrav*s deste processo) de forma muito bem controlada) * poss!vel alterar a

disponibilidade tanto de el*trons na % +uanto de lacunas na #.

A id*ia fundamental * inserir impure/as no cristal intr(nseco de modo a provocara substituição de alguns Ctomos de sua estrutura.

=ependendo da val$ncia &+uantidade de el*trons na Frbita de valncia' destaimpureza obt*m-se dois tipos de cristais,

Dm) denominado de Cristal 7) em +ue houve uma aumento dos portadoresel*trons

Outro) denominado Cristal 5) em +ue houve um aumento dos portadores lacunas.Os n!veis de dopagem situam-se) tipicamente) na fai?a de uma parte para 3=

milh;es &compare com o grau de pureza de uma parte para cada 03 bilh>es'.Entretanto) cristais fortemente dopados podem degenerar e migrar o seu

comportamento de semicondutor para condutor.



17

Semicondutores! Cristal 7(ara aumentar o n"mero de el*trons na %) a dopagem * feita com átomos

pentavalentes &2 el*trons na Frbita de valncia'. Assim) < el*trons do dopante sãousados para formar as ligaç>es covalentes com os Ctomos de / i e o +uinto el*tron

fica muito fracamente preso ao Ctomo original. Em outras palavras) a energia t*rmicado meio ambiente * mais do +ue suficiente para levC-lo %. =iz-se +ue os

dopantes estabelecem um 7(vel de Energia dos .oadores pois cada um deles doaum el*tron para a %.

%ristais N com n!veis de dopagem mais leves são simbolizados por 7 e com n!veisde dopagem mais elevados por 7"

;anda de Condu56o

;anda de alFncia

0N0* IeJ

&N& IeJ7/.el de Energia dos :oadores

!era56o TKr"ica < Pares ElKtron<Lacuna

Observar +ue a geração t*rmica de paresel*trons continua a e?istir) contudo) a

maioria dos el*trons na % são advindosdo processo de dopagem. (or esta razãosão chamados de 5ortadores

-ajoritários. As lacunas) por sua vez)constituem os 5ortadores -inoritários.



18

Semicondutores! Cristal 5(ara aumentar o n"mero de lacunas na %) a dopagem * feita com átomos

trivalentes &; el*trons na Frbita de valncia'. Assim) ; el*trons do dopante sãousados para formar as ligaç>es covalentes com os Ctomos de / i e fica faltando um

el*tron) ou seHa) inseriu-se uma lacuna. =iz-se +ue os dopantes estabelecem um7(vel de Energia dos 'ceitadores pois cada um deles aceita um el*tron para aeste n!vel dei?ando uma lacuna na #. Este n!vel estC muito prF?imo da # demodo +ue a temperatura ambiente) todos dopantes contribuem com uma lacuna.

%ristais ( com n!veis de dopagem mais leves são simbolizados por 5 e com n!veisde dopagem mais elevados por 5"

Observar +ue a geração t*rmica de paresel*trons continua a e?istir) contudo) a

maioria dos lacunas na # são advindasdo processo de dopagem. (or esta razãosão chamados de 5ortadores

-ajoritários. Os el*trons) por sua vez)constituem os 5ortadores -inoritários.

;anda de Condu56o

;anda de alFncia

0N0* IeJ

&N& IeJ 7/.el de Energia dos Aceitadores

!era56o TKr"ica < Pares ElKtron<Lacuna



19

Cristais 7 e 5! Hbservaç;es Complementares

%onsiderando-se o n!vel at@mico) cada Ctomo dopante * um Lon. (ositivo no casodo dopante pentavalente &perdeu um el*tron' e negativo no caso do dopante

trivalente &perdeu uma lacuna'8acroscopicamente) entretanto) os cristais N e ( permanecem eletricamente

neutros

Os dopantes pentavalentes mais comuns são, F6sforo &(') 'rs$nio &A/' e'ntim0nio &/ b'

Os dopantes trivalentes mais comuns são, 2oro &') )álio &Ja' e Lndio &In'.

EOe"plos de Cristais 7 e P %;o$r,

Qon (ositivo Qon Negativo



20

Munção 57! )radiente de Concentração

epresenta uma das estruturas mais importantes na fabricação de diversoscomponentes eletr@nicos.

R formada pela união de um cristal do tipo N com um cristal do tipo (. Algumasliteraturas referem-se a esta Hunção como junção metalNrgica.

%omo o cristal ( tem lacunas em maioria&portadores maHoritCrios' e o cristal N tem

el*trons em maioria &portadores maHoritCrios')ao se Huntar os dois e?iste) na região da Hunção) um )radiente de Concentração.

Este Jradiente força a difusão de portadoresmajoritários do lado em +ue estC mais

concentrado para o lado em +ue estC menosconcentrado) ou seHa) lacunas vão se difundirdo lado ( para N e el*trons do lado N para (.

O processo de difusão se inicia com os portadores +ue estão mais prF?imos da

Hunção.

un56o P7



21

Munção 57! .ifusão de 5ortadores e Formação da egião de .epleção

Ao atravessarem a Hunção) os portadores maHoritCrios dei?am atrCs de si os seusCtomos originais descobertos) ou seHa) dei?am atrCs de si !ons. (ositivos no cristal

N &Ctomos pentavalentes +ue perdem el*trons' e negativos no cristal ( &Ctomos

trivalentes +ue perdem uma lacuna'.

Os portadores maHoritCrios ao cruzarem a Hunção estão em um cristal em +ue são

minoria. (ortanto) e?iste uma grande probabilidade de recombinação. Em outras

palavras, o portador maHoritCrio +ue cruza a Hunção não consegue ir muito longe poislogo encontra um portador de sinal oposto

para recombinar.

#ai se formando no entorno da Hunção uma

região de cargas espaciais) fi?as na estrutura)+ue se denomina de egião de .epleção ouegião de E:austão &Adendo <'

Observar +ue esta região caracteriza pela presença de dipolos el*tricos +ue tmassociado a eles um Campo El%trico.

un56o P7Q Ror"a56o da regi6o de :eple56o



22

Munção 57! 2arreira de 5otencial

O campo el*trico criado pelos dipolos estC em um sentido +ue contraria a difusão de portadores maHoritCrios atrav*s da Hunção. Ele pode atingir um valor) grande o

suficiente) para impedir 8ue o processo de difusão continue.

O cristal N perdeu el*trons para o cristal ( eele estC ligeiramente positivo em relação ao (.O cristal ( perdeu lacunas para o cristal N eestC ligeiramente negativo em relação ao N.

Esta situação pode ser modelada pela presença de uma bateria &interna) presente

na região da Hunção' e atua como uma barreira para +ue o processo de difusão

continue. Esta bateria * a chamada 2arreirade 5otencial &BT ou B

'.

Outro ponto a se comentar diz respeito alargura da região de depleção &S'. Na prCtica

este valor % da ordem de micrometros evaria em função dos n!veis de dopagem dos

cristais. Ouanto maior a dopagemD menor apenetração da região no respectivo cristal.

;arreira de potencial



23

Munção 57! 'nálise com a 5resença dos 5ortadores -inoritários

Os portadores minoritCrios &el*trons em ( e lacunas em N') ao contrCrio dosmaHoritCrios) são acelerados pelo campo el*trico e caminham em direção Hunção.Este processo de movimentação pela presença de um campo el*trico * chamado de

.eriva dos portadores.

Ao irem em direção Hunção podem neutrali/ar os (ons presentes na região de

depleção em N um !on positivo +ue ganha um el*tron e em ( um !on negativo +ueganha uma lacuna.

O valor do campo el*trico diminui e o processo de difusão pode recomeçarrestabelecendo os !ons. esumindo, Tem-se um processo dinKmico em +ue se

alcança um e8uil(brio entre o flu:o de portadores majoritários por difusão e o

flu:o de portadores minoritários por deriva./e for associado a este flu?o de portadores uma corrente el*trica pode-se dizer +ue,

I.EIB' G I.IFUSPH



24

Munção 57! Hbservaç;es Importantes Toda anClise a+ui desenvolvida pressup>e +ue a junção 57 esteja em e8uil(brio

t%rmico e não esteja sob ação de nenhum tipo de campo eletromagn%tico

O valor de #T depende dos n(veis de dopagem dos cristaisD do tipo de materialsemicondutor e da temperatura

(ara o /i) BT vale apro:imadamente ==mBQT'-2 e tem um coeficientet%rmico de AmBK=C. (ara o Je) #T vale apro?imadamente ;33m#TA8

7ão % poss(vel medir a tensão BT com um mult(metro +escala voltim%trica,UUAlgumas literaturas fazem menção a esta tensão como sendo Bbi +builtinvoltage,) uma tensão embutida. (ara se avaliar o seu valor * necessCrio tirar a

Hunção (N da condição de e+uil!brio

8acroscopicamente) a Hunção (N) em e+uil!brio) permanece eletricamente

neutra A região de depleção pode ser modelada como um isolante uma vez +ue não

possui portadores de carga &+ual+uer portador nesta região serC acelerado parafora pela presença do campo el*trico'. As regi>es restantes dos cristais N e ( são)normalmente) referenciadas como regi;es neutras e continuam a ser consideradas

semicondutoras.



25

'dendo 3! Corrente de .eriva

Alguns dispositivos eletr@nicos) por e?emplo os transistores de efeito de campo)caracterizam-se por apresentar a predominKncia da corrente de deriva em seu

funcionamento. ' corrente de deriva está relacionada com a presença de um

campo el%trico. Observar a figura na se+Vncia.

Corrente de :eriaQ

Presen5a de u" Ca"po ElKtrico

Os portadores de carga &no caso estCrepresentado um lacuna' apresentam um

movimento aleat6rio devido a presença daenergia t*rmica do meio ambiente.

H deslocamento resultante % /ero por se tratar) Hustamente) de um fen@meno aleatFrio.

%ontudo) com a presença de um campo el*trico

e?iste a superposição dos efeitos aleatFrios edos efeitos causados pelo campo.

=esta forma) e?iste um deslocamento resultantediferente de /ero.

retornar



26

'dendo A! Fabricação de Circuitos Integrados

Algu"as fotos 2ue eOe"plifica" partes do processo de fa-rica56o de

u" CI %Circuito Integrado,.#-serar a necessidade de se tra-al$ar co" roupas especiais para

eitar a conta"ina56o de i"pureas.

As salas rece-e" a deno"ina56o de salas li"pas.

"a sala li"pa classe & %usada para a fa-rica56o de dispositios co"

geo"etria su-<"icron, representaN no "1Oi"oN u"a part/cula %"aior

2ue 0N*"", por pK c?-ico %ft3, %W 3)3;m;' de ar.

=IE

retornar



27

'dendo >! Comparação entre 2andas de Energia

%omo informação complementar) verificar na figura a seguir) a diferença entre bandas de energia para metais) materiais semicondutores e isolantes. Hbservar afacilidade +ou dificuldade, 8ue os portadores de carga t$mD em cada tipo de

material) para transitar entre as bandas de valncia &# X #alence and'' econdução &% X %onduction and'.

;andas de Energia para MetaisN Se"icondutores e Isolantes

Nos metais e?iste uma superposição das bandas) indicando +ue o seu comportamento semant*m mesmo a bai?as temperaturas. YC o isolante) para haver condução) * necessCrioromp-lo) ou seHa) o material deverC ser e?posto a uma grande +uantidade de energia.

retornar

'd d 4 M ã 57 + t b d ,



28

'dendo 4! Munção 57 +outra abordagem,

( ) ( )

( ) ( )dx E V

dxQ E

N

P

N

P

x

x

X X

x

x

X X

∫

∫ +

−

+

−

=

=

? N-?(

retornar

O valor mC?imo do campo

el*trico ocorre na Hunçãometal"rgica entre os doiscristais.

As regi>es em +ue o campoel*trico * zero são denominadas

de Neutras.

Observar +ue e?iste umadiferença de potencial associada

região de dpleção & nestaregião o cristal N * mais positivo +ue o cristal ('.

'd d ? 5 i d d d Sil( i



29

'dendo ?! 5ropriedades do Sil(cio

/il!cio (olicristalino

$inhas Espectrais

O sil(cio &latim, silex) s!le? ou Zpedra duraZ' * um elemento +u!mico de s!mbolo Si den"mero at@mico 0< &0< prFtons e 0< el*trons' com massa atFmica igual a :4u. [

temperatura ambiente) o sil!cio encontra-se no estado sFlido. \oi descoberto por YGns Yacob erzelius) em 04:;. O sil!cio * o segundo elemento mais abundante na crosta

terrestre) perfazendo mais de :4B de sua massa. Aparece na argila) feldspato) granito)

+uartzo e areia) normalmente na forma de diF?ido de sil!cio &tamb*m conhecido comos!lica' e silicatos &compostos contendo sil!cio) o?ignio e metais'. O sil!cio * o principalcomponente do vidro) cimento) cerKmica) da maioria dos componentes semicondutores e

dos silicones) +ue são substKncias plCsticas muitas vezes confundidas com o sil!cio.(ertence ao grupo 0< &I#A' da %lassificação (eriFdica dos Elementos. /e apresenta na

forma amorfa e cristalina o primeiro na forma de um pF pardo mais reativo +ue avariante cristalina) +ue se apresenta na forma octa*drica de coloração azul grisCceo e

brilho metClico.

=istribuição Eletr@nica

6

http://pt.wikipedia.org/wiki/J%C3%B6ns_Jacob_Berzelius



30

'dendo R! Um pouco de hist6ria

=iodo a vClvula de \leming &063<'

Estes dispositivos tamb*m são referenciadoscomo Tubo Bácuo ou Bálvula Termi0nica

o$n A"-rose Rle"ing %&(+)<&)+*,

E ( i



31

E:erc(cios

0' %onsidere um fio de cobre com 033m de comprimento e :mm de diKmetro) &a' 5ual * a sua resitncia] &b' Dm segundo fio domesmo material tem o mesmo peso +ue o anterior) mas seu diKmetro * o dobro. 5ual * a sua resistncia]

:' Na descrição da teoria das andas de Energia) +uais são as e?igncias fundamentais para +ue um sFlido possa ser considerado&a' um metal) &b' um isolante ou &c' um semicondutor]

;' =escrever) utilizando o diagrama de bandas de energia) o +ue são materiais semicondutores) metClicos e isolantes. (or +ue ocorrea formação de bandas de energia ao inv*s de n!veis de energia discretos] A condutividade el*trica de um determinado elemento pode ser influenciada pela sua estrutura de bandas de energia]

<' E?plicar o +ue * uma dopagem do tipo N e uma dopagem do tipo ( e o +ue são Ctomos aceitadores e doadores de el*trons. Adopagem em semicondutores se dC em n!vel substitucional e geralmente * tratada como adição de impureza ao semicondutorintr!nseco altamente puro. O +ue acontece se o n!vel de dopagem for muito elevado &da ordem de d*cimos percentuais dedopagem'] Dtilize as figuras a seguir para au?iliar na resposta desta +uestão.

&a' 8obilidade eletr@nica em função da temperatura em /i tipo N) para vCrias concentraç>es de impurezas Nd.

&b' 8obilidade de el*trons e lacunas em /i e JaAs em função da concentração de impurezas em T L ;33M.

%a, %-,

E ( i



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E:erc(cios

2' E?pli+ue a diferença entre um semicondutor intr!nseco e e?tr!nseco.7' E?pli+ue como uma lacuna contribui para o transporte de corrente em um semicondutor.1' Na temperatura ambiente &considerada W ;33M') um certo campo el*trico aplicado a uma amostra de sil!cio puro gera uma

corrente de deriva dos el*trons de condução +ue * cerca de <3 vezes maior +ue a velocidade de deriva dos el*trons de condução

em uma amostra de cobre. (or +ue o sil!cio não * melhor condutor +ue o cobre]4' 5ue outros elementos) al*m do fFsforo &(' e do boro &') seriam candidatos para ser usados como impurezas doadoras eaceitadoras para o sil!cio] %onsulte a Tabela (eriFdica.

6' %omo * poss!vel e?plicar o fato da resistividade dos metais aumentar com a temperatura e a dos semicondutores diminuir]03' O Jap de Energia &EJ' e?istente entre as bandas de valncia &#' e condução &%' para o sil!cio e o germKnio são)

respectivamente) 0)0<^e#_ e 3)71^e#_. 5ual dos dois elementos apresenta maior densidade de portadores de carga temperaturaambiente &;33M'] E temperatura de zero absoluto]

00' (or +ue um semicondutor dopado do tipo n &p' tem muito mais el*trons &lacunas' +ue lacunas &el*trons']

0:' O sil!cio e o germKnio são materiais semicondutores semelhantes. A diferença fundamental estC no Jap de Energia &EJ'. /e fornecessCrio construir uma Hunção (N com a menor corrente reversa poss!vel) +ual dois semicondutores dever!amos utilizar]E?pli+ue.

0;' E?pli+ue detalhadamente a formação da região de depleção em uma Hunção (N.0<' (or +ue a largura da região de depleção &S' varia em função do n!vel de dopagem dos cristais N e (]02' (or +ue não * poss!vel medir o valor da barreira de potencial &#T' com um mult!metro utilizando a seção volt!metro] Dsando a

seção ohm!metro esta medida * poss!vel] E?pli+ue.07' A barreira de potencial &#T' para uma Hunção (N de sil!cio * de apro?imadamente 133m# na temperatura ambiente &considere

:2`%'. \aça uma tabela indicando o valor desta barreira entre 3`% e 033`% com intervalos de 03`%. R poss!vel estabelecer umae+uação +ue defina este comportamento]

01' (es+uise na literatura pertinente uma e+uação +ue relacione o valor da barreira de potencial &#T' com os n!veis de dopagens doscristais N &N=' e ( &NA' . \aça uma tabela comparativa considerando &a' o cristal N * mais fortemente dopado +ue o cristal () &b'o cristal ( * mais fortemente dopado +ue o cristal N) &c' os cristais N e ( apresentam dopagens iguais.

04' (es+uise na literatura pertinente sobre a mobilidade dos el*trons &µ N' e das lacunas &µ('. (or +ue elas são diferentes]

Analogica I (2) Semicondutores Juncao PN 2013

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