-
Eletrnica
Fundamental
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS
ENG. DE CONTROLE E AUTOMAO
ENGENHARIA ELETRNICA
Prof. Cludio MC Duarte / maio de 2013
-
Semicondutores
-
Referncias Bibliogrficas
Malvino, A. Bates, D. J. Eletrnica Vol. 1. 7 Edio.
Porto Alegre: AMGH Editora Ltda, 2007.
Malvino, A. Bates, D. J. Eletrnica Vol. 2. 7 Edio.
Porto Alegre: AMGH Editora Ltda, 2007.
-
Tpicos Abordados
Condutores
Semicondutores
Cristais de silcio
Semicondutores intrnsecos
Dois tipos de fluxo
Doping a semiconductor
Dois tipos de semicondutores extrnsecos
O diodo no-polarizado
-
Tpicos Abordados
(Continuao)
Polarizao direta
Polarizao reversa
Ruptura
Nveis de energia
Colina de energia
Barreira de potencial e temperatura
Diodo reversamente polarizado
-
1. Condutor
Um material que permite fluxo de
corrente eltrica.
Exemplos: cobre, prata, ouro.
Os melhores condutores tm um eltron
de valncia.
Modelo atmico.
-
MODELOS ATMICOS Durante muito tempo, a constituio da matria
gerava curiosidade no homem. Desde a
Antiguidade, filsofos tentavam descobrir como a matria formada.
Dois filsofos
gregos, Demcrito e Leucipo, sugeriram que toda a matria era
formada por
pequenos corpos indivisveis. Chamaram estes corpos de tomo, que
em
grego a significa no e tomos significa divisvel. Ento, tomo era
a ltima partcula que
podia ser dividida.
Demcrito, pai da atomstica
O que Modelo Atmico?
Os modelos atmicos so teorias baseadas na experimentao feitas
por
cientistas para explicar como o tomo. Os modelos no existem na
natureza.
So apenas explicaes para mostrar o porqu de um fenmeno. Muitos
cientistas
desenvolveram suas teorias. Com o passar dos tempos, os modelos
foram evoluindo
at chegar ao modelo atual.
-
MODELO DE DALTON (1808) O tomo de John Dalton era uma bolinha
macia e indivisvel. Para ele, a matria era
formada por partculas que no podiam ser divididas chamadas de
tomos.
I) Todas as substncias so constitudas de minsculas partculas,
denominadas
tomos, que no podem ser criados e nem destrudos. Nas substncias,
eles se
encontram unidos por foras de atrao mtua.
II) Cada substncia constituda de um nico tipo de tomo. Substncia
simples ou
elementos so formados de tomos simples, que so indivisveis.
Substncias compostas so formadas por tomos compostos, capazes de se
decompor, durante as reaes qumicas em tomos simples. III) Todos os
tomos de uma mesma substncia so idnticos na forma, no tamanho,
na
massa e nas demais propriedades; tomos de substncias diferentes
possuem forma,
tamanho, massa propriedades diferentes. A massa de um tomo
composto igual soma das massas de todos os tomos simples
componentes. IV) Os tomos compostos so formados por um pequeno
nmero de tomos simples.
Dalton utilizava crculos de mesmo dimetro com
inscries para representar os tomos dos diferentes
elementos qumicos. Assim, ele estabeleceu os postulados
a seguir:
-
MODELO DE THOMSON Em 1903, o fsico Joseph John Thomson props um
novo modelo atmico,
baseado nas experincias dos raios catdicos, o qual chamou de
eltrons.
Para Thomson, o tomo era uma esfera de carga
eltrica positiva recheada de eltrons de carga negativa. Esse
modelo ficou conhecido como pudim de passas. Este modelo derruba a
idia de que o tomo indivisvel e introduz a natureza eltrica da
matria.
.
O modelo de Thomson explica alguns fenmenos como a corrente
eltrica,
eletrizao por atrito, formao de ons e as descargas eltricas em
gases.
ia.
-
MODELO DE RUTHERFORD (1911)
Ele pegou um pedao do metal polnio (Po) que emite partculas alfa
() e colocou em uma caixa de chumbo com um pequeno orifcio. As
partculas alfa
atravessavam outras placas de chumbo atravs de orifcios no seu
centro.
Depois atravessavam um lmina muito fina (10-4mm) de ouro
(Au).
Rutherford adaptou um anteparo mvel com sulfeto de zinco
(fluorescente)
para registrar o caminho percorrido pelas partculas.
O fsico observou que a maioria das partculas alfa atravessava a
lmina de
ouro e apenas algumas desviavam e at mesmo retrocediam.
.
ia.
-
.
ia.
.
A partir destes resultados, concluiu que o tomo no era uma
esfera positiva
com eltrons mergulhados nesta esfera. Concluiu que:
- o tomo um enorme vazio;
- o tomo tem um ncleo muito pequeno;
- o tomo tem ncleo positivo (+), j que partculas alfa
desviavam
algumas vezes;
- os eltrons esto ao redor do ncleo (na eletrosfera) para
equilibrar
as cargas positivas.
O modelo atmico de Rutherford sugeriu ento, um tomo com
rbitas
circulares dos eltrons em volta do ncleo. Comparou o tomo com o
Sistema
Solar, onde os eltrons seriam os planetas e o ncleo seria o
Sol.
-
.
...em 1932 por James Chadwick observou
que o ncleo do berlio (Be) radioativo
emitia partculas sem carga eltrica e com
massa igual dos prtons (+). Chamou
esta partcula de nutrons. Surgia ento,
a terceira partcula subatmica.
-
.
MODELO DE BOHR (1913)
O modelo do fsico dinamarqus Niels Bohr tentava dar continuidade
ao
trabalho feito por Rutherford. Para explicar os erros do modelo
anterior, Bohr
sugeriu que o tomo possui energia quantizada. Cada eltron s pode
ter
determinada quantidade de energia, por isso ela quantizada.
O modelo de Bohr representa os nveis de energia. Cada eltron
possui
a sua energia. comparado s orbitas dos planetas do Sistema
Solar,
onde cada eltron possui a sua prpria rbita e com quantidades
de
energia j determinadas.
Bohr organizou os eltrons em camadas ou nveis de energia.
Cada
camada possui um nome e deve ter um nmero mximo de eltron.
Existem sete camadas ou nveis de energia ao redor do ncleo: K,
L, M,
N, O, P, Q.
-
http://www.youtube.com/watch?v=HRmdkAAoZ5M&feat
ure=related
http://www.youtube.com/watch?v=58xkET9F7MY
http://www.youtube.com/watch?v=npZZPGEClVc
http://www.youtube.com/watch?v=NcF5m_IPAkU
http://www.youtube.com/watch?v=Z161ujKWz8U
http://www.youtube.com/watch?v=0xdL7uQ0i80
http://www.youtube.com/watch?v=EjTeUNtSf80
http://www.youtube.com/watch?v=SorG9-3S4vU
http://www.youtube.com/watch?v=Q8v_FrwFX3U
Links interessantes
2 - 6
3 - 6
4 - 6
5 - 6
6 - 6
PUC
Rio
-
Estrututura atmica do cobre
rbita de valncia
Fora centrfuga
Fora de atrao do ncleo
Quanto mais interna for a rbita, maior ser a velocidade do
eltron, mais forte a fora centrfuga e mais forte ser a fora
de
atrao do ncleo.
velocidade
N de prtons =
N atmico = Z;
a identificao do
elemento qumico
-
Estrututura atmica do cobre para eletrnica
Em eletrnica, o que importa a rbita mais externa.
-
Ncleo Fictcio
Ncleo e rbitas internas;
A rbita de Valncia ou rbita mais externa
a que controla as propriedades eltricas do
tomo;
O ncleo do tomo de cobre tem uma carga
eltrica lquida de +1.
-
Diagrama do ncleo de um tomo
de cobre para fins de eletrnica
A atrao sentida pelo eltron de valncia muito fraca.
+1
Cobre
Um eltron
de valncia
Ncleo mais as
rbitas internas
-
Eltron livre
Desloca-se a uma velocidade baixa;
A atrao entre o ncleo e o eltron de
valncia fraca;
Uma fora externa pode deslocar
facilmente o eltron de valncia do cobre;
Por isso chamado de eltron livre.
-
2. Semicondutores
Um elemento com propriedades eltricas
entre aquelas dos condutores e aquelas dos
isolantes.
Condutores: 1 eltron de valncia
Semicondutores: 4 eltrons de valncia
Isolantes: 8 eltrons de valncia
-
Exemplos de semicondutores
Os semicondutores tm tipicamente 4 eltrons
de valncia.
Germnio.
Silcio.
Carbono.
-
Um eltron de valncia
Ncleo mais as rbitas internas
Diagramas do ncleo para o cobre e o silcio:
Quatro eltrons de valncia
+1 +4
Cobre Silcio
-tomo de silcio: 14 prtons e 14 eltrons; valncia=4
-tomo de cobre: 29 prtons e 29 eltrons; valncia=1
-
3. Cristais de Silcio
Saturao de valncia: n = 8
tomos de silcio compartilham eltrons de valncia em um
cristal.
Como os eltrons de valncia ficam ligados, um cristal de
silcio
quase um isolante perfeito temperatura ambiente.
-
Eltrons livres e lacunas
Lacuna Eltron livre
Temperatura
Alguns eltrons livres e algumas lacunas so criados pela
energia trmica.
Carga eltrica da lacuna = eltron = 0,16x10-18C.
-
No interior de um cristal de silcio
Alguns eltrons livres e algumas lacunas so
criados pela energia trmica.
Outros eltrons livres e lacunas se recombinam.
A recombinao varia de uns poucos
nanosegundos a vrios microsegundos.
O tempo entre a criao e a recombinao de um
eltron livre e uma lacuna chamado de tempo
de vida (life time).
-
4. Semicondutores intrnsecos
o semicondutor puro.
Um cristal de silcio um semicondutor intrnseco se cada tomo do
cristal um tomo de silcio.
Tem apenas alguns eltrons livres produzidos pela energia
trmica.
H dois tipos de fluxo de corrente: Fluxo de eltrons livres e de
lacunas.
Quando um eltron se move, ele cria uma lacuna, que se move em
sentido oposto.
-
5. Dois tipos de fluxo
H dois tipos de fluxo de corrente: Fluxo
de eltrons livres e de lacunas.
Quando um eltron se move, ele cria uma
lacuna, que se move em sentido oposto.
-
Um semicondutor intrnseco, com nmero de eltrons livres
igual ao nmero de lacunas, submetido a uma fonte de tenso
externa.
Dois tipos de fluxo
-
6. Dopagem de um semicondutor
Adio de tomos de impurezas em um
cristal de um elemento intrseco para
alterar sua condutividade eltrica.
Um semicondutor dopado chamado de
semicondutor extrnseco.
-
Cristais de silcio so dopados para criar
portadores de carga permanentes.
Lacuna Eltron livre
Dopante pentavalente:
Antimnio e Fsforo. Dopante trivalente:
Alumnio, Boro, glio.
(tipo n) (tipo p)
-
Representao dos cristais de silcio dopados
Lacuna
Eltron livre
Dopante pentavalente:
Antimnio e Fsforo.
Dopante trivalente:
Alumnio, Boro, glio.
(tipo n)
(tipo p)
tomo trivalente
combinado com 4
tomos de silcio.
tomo pentavalente
combinado com 4
tomos de silcio.
-
Os eltron livres em um silcio tipo n mantm o fluxo de
corrente.
Esse cristal foi dopado com uma impureza pentavalente
-
Esse cristal foi dopado com uma impureza trivalente
As lacunas em um silcio tipo p mantm o fluxo de corrente.
Observe que o fluxo de lacunas oposto em sentido ao fluxo de
eltrons.
-
7. Dois tipos de semicondutores extrnsecos
O material mais popular o silcio.
Cristais puros so os semicondutores intrnsecos.
Cristais dopados so os semicondutores extrnsecos.
Os cristais so dopados para se tornarem tipo n e tipo p.
Um semicondutor tipo n ter uns poucos portadores minoritrios
(lacunas).
Um semicondutor tipo p ter uns poucos portadores minoritrios
(eltrons).
-
Por si s um semicondutor tipo n ou p
usado como um resistor de carbono.
No entanto, quando um cristal dopado de
forma que metade dele seja tipo n e metade
tipo p, algo novo comea a acontecer.
A borda entre o material tipo p e o material
tipo n chamada de juno pn.
A juno pn a base para todo o tipo de
invenes (diodos, transistores, e CIs).
8. Diodo no polarizado
-
Dopando-se um cristal com ambos os tipos de
impurezas, forma-se o diodo de juno pn.
Cada pedao de material eletricamente neutro porque o
nmero de sinais positivos igual ao nmero de sinais
negativos.
P N tomos trivalentes
combinados com
tomos de silcio.
tomos pentavalentes
combinados com
tomos de silcio
juno
-
P N
Cada eltron que migra atravs da juno e preenche
uma lacuna no lado P, efetivamente elimina um
portador negativo de corrente e um positivo (lacuna).
Isso resulta em uma regio na juno que vazia de portadores de
carga e atua como um isolante.
Camada de depleo
ions
tomos trivalentes
tomos pentavalentes
-
P N
Camada de Depleo.
Camada de depleo
tomos trivalentes
tomos pentavalentes
Camada vazia, sem portadores de carga.
-
P N
Camada de Depleo.
Camada de depleo
tomos trivalentes
tomos pentavalentes
To logo essa formao de ons se estabelea, ela cria uma
barreira
de potencial que evita futuras migraes de carga atravs da
juno.
ons positivos
ons negativos
Barreira de potencial
Ge = 0,3 V
Si = 0,7 V
-
A barreira de potencial pn
A difuso de eltrons cria pares de ons
chamados dipolos.
Cada dipolo tem um campo eltrico associado.
A juno atinge o equilbrio quando a
barreira de potencial interrompe a difuso de
eltrons atraves da juno.
A 25 graus Celsius, a barreira de potencial
para uma juno pn de silcio em torno de
0,7 volts.
-
P N
9. Polarizao Direta.
Os portadores de corrente se movem em
direo juno provocando o colapso
da camada de depleo.
Se a tenso aplicada for maior que a barreira de
potencial, o diodo conduzir.
-
P N
10. Polarizao Reversa.
Os portadores se afastam da juno.
A camada de depleo restabelecida e o diodo se
bloqueia.
O polo
positivo
atrai
eltrons.
O polo
negativo
atrai
lacunas.
-
Polarizao do diodo
Os diodos de silcio entram em conduo com
uma polarizao direta de aproximadamente
0,7 volts.
Com polarizao reversa, a camada de depleo
se torna mais larga e o diodo bloqueia.
Uma pequena corrente de portadores
minoritrios existe com a polarizao reversa.
A corrente reversa causada termicamente pelos
portadores minoritrios chamada de corrente
de saturao (IS).
H tambm a corrente de fuga da superfcie.
-
11. Ruptura do diodo
Existe um limite de tenso que podemos aplicar em um diodo
reversamente polarizado sem que ele se danifique.
Uma vez atingida a tenso de ruptura, uma grande quantidade de
portadores minoritrios aparece na camada de depleo e o diodo conduz
intensamente.
Esses portadores so produzidos pelo efeito avalanche, que ocorre
quando a tenso tem um valor muito alto.
Valores tpicos de ruptura esto entre 50 volts e 1000 volts.
-
Processo de avalanche
Uma vez atingida a tenso de ruptura, uma grande quantidade de
portadores minoritrios aparece de repente na camada de depleo e o
diodo conduz intensamente.
uma progresso geomtrica:
1, 2, 4, 8,
-
12. Nveis de energia
necessrio uma quantidade extra de Energia
para elevar um eltron para uma rbita mais
alta.
Os eltrons mais distantes do ncleo tm
potencial de energia mais alto.
Quando um eltron cai para uma rbita mais
baixa, ele perde energia na forma de calor, luz,
e outros tipos de radiao.
Um LED um exemplo no qual parte da
energia potencial do eltron convertida em
luz.
-
Bandas de energia
A rbita de cada eltron diferente, ou seja o nvel de
energia de cada eltron diferente.
Por isso o diagrama de energia representado por
meio de bandas.
A energia trmica produz alguns eltrons livres e
algumas lacunas. As lacunas permanecem na banda
de valncia, mas os eltrons livres vo para a banda
com maior energia, chamada de banda de conduo.
-
Bandas de energia
r1
r2
r3
r4
r1 r2 r3 r4
ncleo
Quando um tomo de silcio est isolado, a rbita de um eltron
influenciada somente pela carga do tomo isolado. Mas quando o tomo
de silcio parte de um cristal, a rbita de cada eltron tambm
influenciada pelas cargas de vrios outros tomos de silcio. Como
cada eltron tem uma nica posio no cristal, dois eltrons no vem
exatamente os mesmos padres de carga ao seu redor.
Por isso, a rbita de cada eltron diferente, ou seja, o nvel de
energia de cada eltron diferente.
-
Bandas de energia de um semicondutor intrnseco
Todos os eltrons na primeira rbita tm nveis de energia
ligeiramente diferentes porque nenhum v exatamente a mesma
carga naquele ambiente. Como existem bilhes de eltrons na
primeira rbita, os nveis de energia ligeiramente diferentes
formam
uma faixa ou banda de energia.
1 Banda
2 Banda
Banda de valncia
Banda de conduo
ener
gia
A energia trmica
produz alguns eltrons
livres e lacunas. As
lacunas permanecem
na banda de valncia,
mas os eltrons livres
vo para a prxima
banda, de maior
energia, chamada
banda de conduo.
corrente
corrente
-
Bandas de energia de um semicondutor extrnseco
Todos os eltrons na primeira rbita tm nveis de energia
ligeiramente diferentes porque nenhum v exatamente a mesma
carga naquele ambiente. Como existem bilhes de eltrons na
primeira rbita, os nveis de energia ligeiramente diferentes
formam
uma faixa ou banda de energia.
ener
gia
1 Banda
2 Banda
valncia
conduo
corrente
corrente
corrente
corrente
Tipo n Tipo p
-
13. Formao da camada de depleo e Colina de
Energia
Quando o diodo inicialmente formado, no h camada de
depleo. Nesse caso, os eltrons livres vo se difundir atravs
da juno.
Em termos de energia, significa que os eltrons prximos da
parte superior da banda de conduo n se movem atravs da
juno.
Assim que um eltron livre cruzar a juno, ele recombina
com uma lacuna. Em outras palavras, o eltron cai da banda
de conduo para a banda de valncia, emitindo luz, calor ou
outra forma de energia.
A recombinao no apenas cria a camada de depleo, mas
tambm muda os nveis de energia na juno, aumentando a
diferena entre os nveis de energia entre as camadas p e n.
-
O lado p de uma juno pn tem tomos trivalentes, tomos com
um ncleo com carga +3. Esse ncleo atrai eltrons de uma forma
menos intensa que um ncleo pentavalente +5. Por isso, a
distncia
do ncleo s bandas de energia so maiores no material tipo p.
E
ner
gia
Juno abrupta
Lado P
Banda de valncia
Banda de conduo
Lado N
Em uma juno abrupta, as bandas do lado p
esto em um nvel de energia levemente mais alto.
Diodos reais apresentam uma mudana gradual de um
material para o outro. A juno abrupta apenas conceitual.
-
En
ergia
Lado P
Banda de valncia
Lado N
Banda de conduo
Bandas de energia aps a camada de depleo ser
formada:
Aps a criao da camada de depleo, as bandas p deslocam-se
para cima em relao s bandas n.
Por que isso ocorre?
Colina de energia
-
Quando um eltron se difunde atravs da juno, ele cai na
lacuna
do tomo trivalente.
Esse eltron a mais na rbita de valncia forar a rbita da
banda de conduo a se afastar do tomo trivalente.
Portanto, qualquer outro eltron que chegar nessa rea,
necessitar de mais energia para viajar na banda de conduo.
lacuna
+3 +3
Lacuna
preenchida
Isso equivale a dizer que as bandas p se deslocam para cima
com
relao s bandas n aps a criao da camada de depleo.
-
Barreira de potencial de um diodo.
Os eltrons necessitam energia suficiente
para cruzar a juno.
Uma fonte de tenso externa que polariza
diretamente o diodo prov essa energia.
Para um eltron tentar se difundir atravs da juno, o
caminho que ele precisa viajar se parece com uma colina
de energia. Ele deve receber energia de uma fonte
externa.
Ideia da Colina de Energia
-
14. Barreira de potencial e temperatura
A temperatura da juno a temperatura
dentro do diodo, exatamente na juno pn.
Quando um diodo est conduzindo, sua
temperatura de juno mais alta que a
temperatura ambiente.
A barreira de potencial menor em elevadas
temperaturas de juno.
A barreira de potencial decresce em 2 mV por
cada acrscimo de grau Celsius.
-
15. Diodo polarizado reversamente
Quando a tenso inversa aumenta, lacunas e eltrons se afastam
da juno, deixando ons positivos e negativos para trs.
Portanto, a largura da camada de depleo varia quando a
tenso reversa varia.
Enquanto a camada de depleo est se ajustando, para sua
nova largura, uma corrente circula no circuito externo. Essa
corrente cai a zero quando a camada de depleo para de
crescer
Corrente de transiente.
A polarizao direta do diodo aumenta a banda n e permite que
eltrons livres cruzem a juno. A polarizao reversa tem um
efeito oposto; ele aumenta a camada de depleo e diminui a
banda n.
Corrente de transiente
-
A polarizao direta do diodo aumenta a banda n e permite que
eltrons livres cruzem a juno. A polarizao reversa tem um
efeito oposto; ela aumenta a camada de depleo e diminui a
banda n.
Supondo-se que a energia trmica gere uma lacuna e um eltron
livre dentro da camada de depleo. O eltron livre e a lacuna
podem agora contribuir para uma corrente reversa.
Por causa da polarizao reversa, o eltron livre move-se para
a
direito (lado n), forando um eltron para for a do lado
direito
do diodo.
De modo similar, a lacuna move-se para a esquerda. Essa
lacuna
do lado p admite a entrada de um eltron no lado final
esquerdo
do cristal. A corrente resultante a corrente de saturao.
Corrente de saturao reversa
-
Corrente de saturao reversa
IS, a corrente de saturao ou de portadores minoritrios,
dobra
para cada acrscimo de 10 graus Celsius na temperatura.
IS no proporconal tenso reversa.
Em um tomo de silcio, a distncia entre a banda de valncia e
a
banda de conduo chamada de Banda de Energia.
Quando a energia trmica produz eltrons livres e lacunas, ela
precisa
fornecer aos eltrons de valncia energia suficiente para saltar
para a
banda de conduo.
Quanto maior a faixa de energia, maior a dificuldade para a
energia
trmica produzir pares eltron-lacuna. Felizmente, o silcio tem
uma
larga faixa de energia, ao contrrio do germnio.
O germno tem uma faixa de energia muito menor que a do silcio,
por
isso apresenta uma corrente de saturao muito grande.
Silcio versus Germnio
-
Corrente de fuga da superfcie
uma corrente inversa na superfcie do cristal.
Como os tomos da parte de cima e da parte de baixo do
cristal
no tm vizinhos, eles tm apenas seis eltrons na rbita de
valncia, implicando que existem duas lacunas em cada tomo de
superfcie.
Pode-se ver que a superfcie de um cristal como um
semicondutor tipo p.
Por isso, os eltrons podem entrar pelo lado final esquerdo
do
cristal, circular pelas lacunas da superfcie e deixar o
final
direito do cristal.
Desse modo, obtemos uma pequena corrente inversa ao longo da
superfcie, que diretamente proporcional tenso inversa.
Assim, podemos definir a resistncia de fuga da superfcie
como:
RSL = VR/ISL
