REVISÃO DE SEMICONDUTORES

1- CONDUTORES

Fig.01

O núcleo positivo da Fig.01 atrai os elétrons planetários.É a força centrífuga ou externa, criada pelo movimento orbital do elétron em torno do núcleo, que evita o choque dos elétrons com o núcleo.Quando um elétron está numa órbita estável a força centrífuga é exatamente igual à força de atração do núcleo. Quando um elétron está mais afastado do núcleo, a força centrífuga é menor para anular a força de atração do núcleo. Resumindo:

ÓRBITA MENOR = O ELÉTRON GIRA MAIS RÁPIDO.

ÓRBITA MAIOR = O ELÉTRON GIRA MAIS LENTO.

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Numa estrutura atômica nos interessa mais as órbitas externas, também chamadas de órbitas de valência. Essa órbita externa controla as propriedades elétricas do átomo.No átomo de cobre há um único elétron na órbita de valência que está numa órbita muito afastada da parte central do átomo, por isso, a atração pelo elétron externo é muito pequena, em razão dessa pequena atração, o elétron externo é às vezes chamado elétron livre. No átomo de cobre como o elétron de valência é levemente atraído pela parte central, a aplicação de uma força externa pode facilmente deslocar esse elétron do átomo de cobre. Por isso o cobre é um bom condutor. Prata, cobre e ouro, possuem um único elétron na órbita de valência.

2- SEMICONDUTORES

Um semicondutor é um elemento de valência quatro.O número de elétrons na órbita de valência é a chave para a Condutibilidade .

Condutores = 1 elétron na órbita de valência.Semicondutor = 4 elétrons na órbita de valência.Isolante = 8 elétrons na órbita de valência.

2.1- O ÁTOMO DE SILÍCIO

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Fig. 02

É o material semicondutor mais utilizado. Possui quatro elétrons na sua camada de valência.

2.2- CRISTAIS DE SILÍCIO (formam um sólido isolante).

- ÁTOMO QUIMICAMENTE ESTÁVEL;- ELÉTRONS DE LIGAÇÃO (CRISTAL DE SILÍCIO).- MATERIAL ISOLANTE.Cada átomo vizinho cede um elétron para o átomo central. Desse modo, todos os átomos centrais

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contribuem para que haja quatro elétrons adicionais dando um total de oito elétrons na sua órbita de valência. Na verdade, os elétrons não pertencem mais a um átomo isolado, eles são agora compartilhados pelos átomos adjacentes.Num cristal de silício, existem bilhões de átomos de silício, cada um com oito elétrons de valência. Esses elétrons de valência são as ligações covalentes que mantém os átomos de cristal unidos, formando o sólido.A órbita de valência não pode sustentar mais de oito elétrons. Por isso, ela é descrita como preenchida ou saturada quando contém oito elétrons. Além disso, os oitos elétrons de valência são chamados elétrons de ligação, um cristal de silício é um isolante quase perfeito na temperatura ambiente (aproximadamente 25ºC).

2.3- A ENERGIA TÉRMICA GERANDO ELÉTRON LIVRE E LACUNA.

Quando a temperatura ambiente está acima do zero absoluto (-273ºC), a energia térmica do ar em torno faz os átomos do cristal de silício vibrar num vaivém

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dentro do cristal. Quanto mais alta a temperatura, mais fortes são as vibrações mecânicas desses átomos. As vibrações dos átomos de silício podem, ocasionalmente, deslocar um elétron da órbita de valência. Quando isso ocorre, o elétron liberado ganha energia suficiente para passar para outra órbita maior, conforme Fig. 04.Nessa órbita maior, ele se torna um elétron livre. Além disso, a saída do elétron deixa um vazio na órbita de valência que é chamado lacuna.Essa lacuna comporta-se como uma carga positiva, porque ela pode atrair e manter capturado qualquer elétron nas proximidades.

2.4- RECOMBINAÇÃO E TEMPO DE VIDANum cristal de silício puro, são criados iguais números de lacunas e elétrons livres pela energia térmica (aquecimento). Os elétrons livres se movem randomicamente através do cristal. Ocasionalmente, um elétron livre se aproxima de uma lacuna, é atraído e capturado. Essa união de um elétron livre com uma lacuna é chamada recombinação.O tempo entre a geração de um elétron livre e seu desaparecimento é chamado tempo de vida. Ele varia de alguns nanossegundos até vários microssegundos.

3- SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS Um semicondutor intrínseco é um semicondutor puro. Um cristal será um semicondutor intrínseco se todos os átomos do cristal forem de silício.

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Na temperatura ambiente, um cristal de silício comporta-se como um isolante aproximadamente, porque ele tem apenas alguns elétrons e lacunas produzidos pela energia térmica.3.1- O FLUXO DE ELÉTRON LIVRE E LACUNA.

Suponha que a energia térmica tenha gerado um elétron livre e uma lacuna como visto na Fig.05.O elétron livre está numa órbita maior à direita do cristal. Devido à carga negativa da placa, o elétron livre será repelido para a esquerda. Esse elétron livre pode mover-se de uma órbita para a próxima até alcançar a placa positiva.Observe a lacuna à esquerda na mesma figura. Essa lacuna atrai o elétron de valência no ponto A. Isso faz com que o elétron de valência mova-se para a lacuna. Essa ação não é a mesma da recombinação, na qual um elétron livre cai numa lacuna. Em vez de um elétron livre, temos um elétron de valência movendo-se para uma lacuna.Quando o elétron de valência no ponto A move-se para a esquerda, ele gera uma nova lacuna no ponto A. A nova lacuna no ponto A pode então atrair e capturar outro elétron de valência. Desse modo, elétrons de

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valência podem viajar ao longo do caminho mostrado pela seta. Isso significa que uma lacuna pode mover-se no sentido oposto, ao longo do caminho, A-B-C-D-E-F.3.2- DOIS TIPOS DE FLUXOS DE CORRENTE.

A fig.05 mostra um semicondutor intrínseco, o número de elétrons livres é igual ao número de lacunas. A tensão aplicada força os elétrons livres a se deslocar para a esquerda do cristal e as lacunas para a direita do cristal. Quando os elétrons livres chegam ao final do lado esquerdo do cristal, eles passam para o fio externo e circulam para o terminal positivo da bateria. Por outro lado, os elétrons livres no terminal negativo da bateria circularão para a direita do cristal. Nesse ponto, eles passam para o cristal e recombinam-se com as lacunas que chegam até o lado direito do cristal. Desse modo, ocorre um fluxo estável de elétrons livres e lacunas dentro do semicondutor.Na figura, os elétrons livres e as lacunas movem-se em sentidos opostos. A partir daqui, vamos visualizar a corrente num semicondutor como o efeito combinado de dois tipos de fluxos: o fluxo de elétrons livres num sentido e o fluxo de lacunas no sentido oposto. Os elétrons livres e as lacunas são chamados às vezes de portadores, porque transportam uma carga igual de um lugar para o outro.3.3- DOPAGEM DE UM SEMICONDUTOR

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Uma forma de aumentar a condutibilidade de um semicondutor é pela dopagem. Isso significa adicionar impurezas aos átomos de um cristal intrínseco para alterar sua condutibilidade elétrica. Um semicondutor dopado é chamado semicondutor extrínseco.As indústrias dopam um cristal, primeiramente, fundindo um cristal puro de silício. Isso quebra as ligações covalentes e muda um silício do estado sólido para o líquido. Para aumentar o número de elétrons livres, são adicionados átomos de elementos penta valentes ao silício em fusão. Átomos penta valentes possuem cinco elétrons na órbita de valência (Ex. Antimônio e Fósforo). Como esses materiais doam um elétron extra para o cristal de silício, são chamados de impurezas doadoras.A fig. 6a, mostra como a estrutura do cristal de silício é alterada após ter sido esfriada e solidificada. Um átomo penta valente fica no centro cercado por quatro átomos de silício. Como antes, os átomos vizinhos cedem um elétron para o átomo central. Mas dessa vez existe um elétron extra à esquerda e acima. Como somente oito elétrons podem ser fixados pela órbita de

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valência, permanece um elétron extra na órbita maior. Em outras palavras, um elétron livre.Quanto mais adicionarmos impurezas, maior a condutibilidade. Assim, um semicondutor pode ser fracamente ou fortemente dopado.Como podemos dopar um cristal de silício puro para obter um excesso de lacunas?Utilizando impurezas trivalentes, cujos átomos possuem apenas três elétrons de valência. (Ex. Alumínio, boro e gálio).A fig. 2.6b, mostra um átomo trivalente no centro. Ele é cercado por quatro átomos de silício, cada um cedendo um de seus elétrons de valência. Como o átomo trivalente originalmente tinha apenas três elétrons de valência e cada átomo vizinho cede um de seus elétrons, restam apenas sete elétrons na órbita de valência. Isso significa que existe uma lacuna na órbita de valência de cada átomo trivalente. Um átomo trivalente é também chamado átomo receptor, porque cada lacuna para a qual ele contribui pode receber um elétron livre durante o processo de recombinação.

3.4- O SEMICONDUTOR TIPO NO silício que foi dopado com uma impureza pentavalente é chamado semicondutor tipo n, onde n está relacionado com negativo.

3.5- O SEMICONDUTOR TIPO PUm silício que foi dopado com uma impureza trivalente é chamado semicondutor tipo p, onde p representa positivo (lacuna).

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3.6- O DIODO NÃO POLARIZADO

3.7- A CAMADA DE DEPLEÇÃO

3.8- A POLARIZAÇÃO DIRETA

3.9- A POLARIZAÇÃO REVERSA

3.10- A LARGURA DA CAMADA DE DEPLEÇÃO

3.11- A CORRENTE DE PORTADORES MINORITÁRIOS

3.12- A CORRENTE DE FUGA DA SUPERFÍCIE

3.13- RUPTURA

3.14- O EFEITO AVALANCHE

3.15- O EFEITO ZENER

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