Semicondutores-
Eletrônica Básica
1 Níveis de energia
• Somente certas dimensões de órbita são permitidas (Figura 2.2 (a)).
• Quanto maior a órbita do elétron, mais alto é o seu nível de energia potencial em relação ao núcleo (Figura 2.2 (b)).
• Se o átomo for bombardeado por energia externa (calor, luz ou outra radiação), um dos elétrons pode ser elevado a um nível de energia mais alto (órbita maior).
• O átomo está então no estado de excitação.
• Este estado não dura muito porque o elétron energizado logo volta ao seu nível de energia original, devolvendo a energia adquirida na forma de calor, luz ou outra radiação.
2 Teoria do semicondutor
Estrutura atômica
• Modelo de Bohr para o átomo (Figura 2.1 (a))
* Núcleo rodeado por elétrons em órbita.
* Núcleo com carga positiva associada aos prótons.
* O elétron descreve uma órbita estável com exatamente a velocidade certa para que a força centrífuga equilibre a atração nuclear.
• Átomo isolado de Silício (Figura 2.1 (b))
* 14 prótons e 14 elétrons.
* Órbitas estáveis
• Primeira: 2 elétrons.
• Segunda: 8 elétrons.
• Terceira (órbita externa ou órbita de valência): 4 elétrons .
* Eletricamente neutro.
* Átomo tetravalente, isto é, 4 elétrons na órbita de valência.
* Núcleo e elétrons internos à órbita de valência são denominados âmago do átomo.
3 Cristais
• Um átomo de silício isolado possui quatro elétrons na sua órbita de valência, porém para ser quimicamente estável, precisa de oito elétrons.
• Combina-se então com outros átomos de forma a completar os outros elétrons na sua órbita de valência.
• Quando os átomos de silício se combinam entre si para formar um sólido, eles se arranjam numa configuração ordenada denominada cristal.
• As forças que mantém os átomos unidos são denominadas ligações covalentes (Figura 2.3 (a)).
• No cristal, o átomo de silício posiciona-se entre outros quatro átomos de silício, cada vizinho a compartilhar um elétron com o átomo central.
• O átomo central passa a possuir então oito elétrons na órbita de valência.
• Os oito elétrons não pertencem ao átomo central, são compartilhados pelos quatro átomos em volta.
4 Lacunas
• Quando a energia externa eleva o elétron de valência a um nível energético mais alto (órbita maior), o elétron que sai deixa uma vacância na órbita mais externa (Figura 2.3 (b)).
• Esta vacância é denominada lacuna.
5 Bandas de energia
• Quando os átomos de silício se combinam para formar um cristal, a órbita de um elétron sofre a influência das cargas dos átomos adjacentes.
• Como cada elétron tem uma posição diferente dentro do cristal, nenhum vê exatamente a mesma configuração de cargas vizinhas.
• Assim a órbita de cada elétron é modificada.
• Os níveis de energia associados às órbitas formam nuvens ou bandas (Figura 2.4).
6 Condução em cristais
• A condução num fio de cobre:
* Cada átomo de cobre possui um elétron livre.
* Como o elétron percorre uma órbita extremamente grande (alto nível de energia), o elétron mal pode sentir a atração do núcleo.
* Num pedaço ou fio de cobre, os elétrons livres estão contidos numa banda de energia denominada banda de condução.
* Esses elétrons livres são capazes de produzir correntes altas.
• A condução num cristal de silício:
* A Figura 2.5 (a) mostra uma barra de silício com extremidades metálicas e uma tensão externa estabelece um campo elétrico entre as extremidades do cristal.
7 Zero absoluto
• No zero absoluto, todos os elétrons de valência estão fortemente presos aos átomos de silício, a participar das ligações covalentes entre os átomos.
• A banda de condução está vazia e não há corrente no silício (Figura 2.5 (b)).
Acima do zero absoluto
• A energia térmica quebra algumas ligações covalentes, isto é, envia alguns elétrons da banda de valência para a banda de condução.
• Sob ação do campo elétrico, estes elétrons livres movem-se para a esquerda e estabelecem uma corrente (Figura 2.6 (a)).
• Cada vez que um elétron é bombeado para a banda de condução, cria-se uma lacuna na banda de valência.
• A banda de valência já não se encontra saturada ou preenchida, cada lacuna na banda de valência representa uma órbita de rotação disponível.
• Quanto mais alta a temperatura, maior o número de elétrons de valência empurrados para a banda de condução e maior a corrente.
• À temperatura ambiente (25ºC) a corrente é pequena demais para ser utilizável.
• À essa temperatura um pedaço de silício não é bom isolante nem bom condutor, por esta razão é chamado semicondutor.
8 Silício versus germânio
• O germânio, um outro elemento tetravalente, foi amplamente usado no início do estudo dos semicondutores.
• À temperatura ambiente, um cristal de silício não possui praticamente elétrons livres, quando comparado a um cristal de germânio sob as mesmas condições.
9 Corrente de lacunas
• Um semicondutor oferece dois trajetos para corrente, um associado a elétrons na banda de condução e outro associado a elétrons na banda de valência.
• Observe o mecanismo de condução na banda de valência ilustrado na figura 2.7 (a).
* A lacuna na extremidade direita da figura 2.7 (a) atrai o elétron em A.
* Apenas com uma pequena variação de energia o elétron de valência em A pode se deslocar para a lacuna.
* A lacuna inicial então desaparece e uma nova lacuna aparece no ponto A.
* A nova lacuna em A atrai o elétron de valência em B, e quando o elétron desloca-se para A, a lacuna desloca-se para B.
* Os elétrons de valência podem continuar a deslocar-se ao longo do trajeto mostrado pelas setas, enquanto as lacunas deslocam-se no sentido oposto.
• Pelo fato de haver lacunas nas órbitas de valência, há um segundo percurso ao longo do qual os elétrons podem se deslocar dentro do cristal.
• Na Figura 2.7 (b) ilustra-se a condução de lacunas em termos de nível de energia:
* A energia térmica bombeia um elétron da banda de valência para a banda de condução, abrindo-se uma lacuna.
* Com uma pequena variação de energia, o elétron de valência em A pode se deslocar para a lacuna.
* Quando isto ocorre, a lacuna inicial desaparece e uma nova lacuna aparece em A.
* A seguir, um elétron de valência em B pode se deslocar para a nova lacuna com uma pequena variação de energia.
• Com pequenas variações de energia os elétrons de valência podem se deslocar ao longo do trajeto indicado pelas setas.
• Isso equivale a um movimento da lacuna através da banda de valência ao longo do trajeto ABCDEF.
10 Pares elétron-lacuna
• A aplicação de uma tensão externa ao cristal força os elétrons a deslocarem-se.
• Na figura 2.8 (a) há dois tipos de elétrons móveis, os elétrons da banda de condução e os elétrons da banda de valência.
• O movimento para a direita dos elétrons de valência indica que as lacunas estão a se deslocar para a esquerda.
• Num semicondutor puro, a existência de cada elétron na banda de condução garante a existência de uma lacuna na órbita de valência de algum átomo.
• Pode-se dizer que a energia térmica produz pares elétrons-lacuna.
• As lacunas agem como se fossem cargas positivas e por esta razão são indicadas pelo sinal de mais na figura 2.8 (b).
• O Efeito Hall confirma o comportamento das lacunas como cargas positivas.
11 Recombinação
• Na Figura 2.8 (b) ocasionalmente a órbita da banda de condução de um átomo pode interceptar a órbita da lacuna de um outro.
• É frequente então que um elétron da banda de condução passe para uma lacuna.
• Este desaparecimento de um elétron livre e de uma lacuna é chamado recombinação.
• Quando ocorre a recombinação a lacuna desaparece.
• A recombinação ocorre constantemente num semicondutor.
• A energia térmica incidente mantém a produção de novas lacunas a elevar os elétrons de valência à banda de condução.
• O tempo médio entre a criação e o desaparecimento de um par elétron-lacuna é chamado meia vida, que varia de poucos nanosegundos até vários micro segundos, dependendo de quão perfeita é a estrutura do cristal, dentre outros fatores.
12 Dopagem
• Um cristal de silício puro é um semicondutor intrínseco.
• Para a maioria das aplicações, não há elétrons livres nem causas suficiente num semicondutor intrínseco para produzir uma corrente utilizável.
• A dopagem significa introduzir átomos de impurezas num cristal de modo a aumentar tanto o número de elétrons livres quanto o número de lacunas.
• Com a dopagem, o cristal passa a se chamar semicondutor extrínseco.
13 Semicondutor tipo-n
• Para se conseguir elétrons da banda de valência a mais, podem-se acrescentar átomos pentavalentes.
• O átomo pentavalente possui inicialmente 5 elétrons na órbita de valência.
• Depois de formar ligações covalentes com quatro átomos vizinhos, o átomo pentavelente central possui um elétron a mais que sobra.
• Como a órbita de valência não pode conter mais de oito elétrons, o elétron que sobra precisa percorrer uma órbita da banda de condução.
• Na figura 2.9 (b), há um grande número de elétrons da banda de condução produzido principalmente pela dopagem. Há também algumas lacunas criadas pela energia térmica.
• O silício dopado dessa forma é denominado semicondutor tipo-n, onde n significa negativo.
• Num semicondutor tipo-n, os elétrons são denominados portadores majoritários e as lacunas de portadores minoritários.
• Os átomos pentavalentes são denominados doadores, pois fornecem elétrons de banda de condução.
• Exemplos: arsênio, antimônio e fósforo.
14 Semicondutor tipo-p
• Ao se utilizar uma impureza trivalente (3 elétrons na camada de valência), apenas 7 elétrons se encontrarão nas suas órbitas de valência, e aparece uma lacuna em cada átomo trivalente.
• Um semicondutor dopado com uma impureza trivalente é conhecido como semicondutor do tipo-p, onde a letra p significa positivo.
• Na figura 2.10 (b), as lacunas de um semicondutor tipo-p excedem de longe os elétrons da banda de condução.
• Num semicondutor do tipo-p, as lacunas são os portadores majoritários enquanto que os elétrons da banda de condução são os portadores minoritários.
• Átomos trivalentes são também conhecidos como átomos aceitadores porque cada lacuna que eles fornecem pode aceitar um elétron durante a recombinação.
• Exemplos: Alumínio, boro e gálio.
15 Resistência do corpo
• Um semicondutor dopado ainda possui resistência elétrica, denominada resistência de corpo.
• Quando é levemente dopado, possui resistência de corpo alta, a medida que a dopagem aumenta, a resistência de corpo diminui.
• A resistência de corpo também é chamada resistência ôhmica, uma vez que obedece a lei de Ohm.
16 O diodo não polarizado
• É possível produzir um cristal com dopagem parte tipo-p e parte tipo-n, denominado cristal pn ou diodo (Figuras 11 (a) e (b)).
• A figura 11 (a) mostra o cristal pn no instante de sua formação. O lado p possui várias lacunas (portadores majoritários) e o lado n possui vários elétrons livres (também portadores majoritários).
17 Camada de depleção
• Devido à repulsão mútua, os elétrons livres no lado n difundem-se (espalham-se) em todas as direções, sendo que alguns atravessam a junção.
• Quando um elétron livre sai da região n, a sua saída cria um átomo carregado positivamente (um íon positivo) na região n.
• O elétron, como um portador minoritário na região p, possui uma vida média curta. Logo após penetrar na região preenche uma lacuna.
• Quando isso acontece, a lacuna desaparece e o átomo associado torna-se carregado negativamente (um íon negativo).
• Cada vez que um elétron difunde-se através da junção, ele cria um par de íons (Figura 11 (b)).
• Os íons estão fixos na estrutura do cristal por causa da ligação covalente e não podem se deslocar livremente como os elétrons livres e as lacunas.
• À medida que o número de íons aumenta, a região próxima a junção fica totalmente esgotada de elétrons livres ou lacunas.
• A região criada na junção chama-se camada de depleção.
18 Barreira de potencial
• Além de certo ponto, a camada de depleção age como uma barreira a impedir o prosseguimento da difusão de elétrons livres através da junção.
• A intensidade da camada de depleção continua a aumentar com cada elétron que atravessa a junção até que se atinja um equilíbrio.
• Nesse ponto, a repulsão interna da camada de depleção interrompe a difusão dos elétrons livres através da junção.
• A diferença de potencial através da camada de depleção é chamada de barreira de potencial.
• A 25ºC, esta barreira de potencial é aproximadamente igual a 0,7V para os diodos de silício (0,3V para os diodos de germânio).
19 Polarização direta
• A figura 12 (a) mostra um diodo ligado a uma fonte de tensão cc em polarização direta, isto é, com o terminal positivo da fonte ligado à região p e o lado negativo da fonte ligado à região n.
20 Corrente direta alta
• A polarização direta produz uma alta corrente direta.
• O terminal negativo da fonte repele elétrons livres da região n em direção à junção.
• Estes elétrons, com energia adicional, podem atravessar a junção e encontrar as lacunas.
• A recombinação ocorre em distâncias variáveis a partir da junção, dependendo de até onde um elétron livre possa evitar o encontro com uma lacuna.
• As chances de recombinação são maiores perto da junção.
• À medida que os elétrons encontram as lacunas, eles se tornam elétrons de valência, e continuam a se deslocar para a esquerda através das lacunas do material p.
• Quando os elétrons de valência atingem a extremidade esquerda do cristal, eles abandonam o cristal e escoam para o terminal positivo da fonte.
• A história de vida de um único elétron que se desloca do terminal negativo para o terminal positivo da fonte é então:
* Depois de deixar o terminal negativo, entra pela extremidade direita do cristal.
* Atravessa a região n como um elétron livre.
* Próximo à junção, recombina-se e torna-se um elétron de valência.
* Atravessa a região p com um elétron de valência.
* Depois de sair pela extremidade esquerda do cristal, segue para o terminal positivo da fonte.
21 Bandas de energia II
• A Figura 12 (b) mostra como visualizar o fluxo em termos de bandas de energia.
• A barreira de potencial dá às bandas p um pouco mais de energia do que para as bandas n.
• Um fluxo estável de elétrons de banda de condução desloca-se em direção à junção e preenche as lacunas próximas à junção.
• Os elétrons capturados, agora elétrons de valência, movem-se para a esquerda a formar um fluxo estável através das lacunas na região p.
• Dessa forma obtém-se um fluxo contínuo de elétrons através do diodo.
• À medida que os elétrons livres desaparecem ao longe dos trajetos A e B, eles descem de um nível mais alto de energia para um outro mais baixo, a irradiar energia na forma de calor ou luz.
22 Polarização reversa
• Na polarização reversa o terminal positivo da fonte é ligado à região n e o terminal negativo é ligado à região p (Figura 13 (a)).
23 Camada de depleção II
• A polarização reversa força que os elétrons livres da região n se afastem da junção em direção ao terminal positivo da fonte, as lacunas da região p também se deslocam da junção para o terminal negativo.
• O afastamento dos elétrons e das lacunas deixam mais íons positivos e negativos próximos à junção, respectivamente. Portanto, a camada de depleção fica mais larga.
• Quanto maior a polarização reversa, maior torna-se a camada de depleção.
• A camada de depleção pára de aumentar quando sua diferença de potencial se iguala à tensão da fonte.
24 Corrente de portadores minoritários
• A energia térmica cria continuamente um número limitado de elétrons livres e de lacunas de ambos os lados da junção. Por causa dos portadores minoritários aparece uma pequena corrente no circuito.
• A corrente reversa produzida pelos portadores minoritários é chamada corrente de saturação e designada por IS. O nome saturação relaciona-se ao fato de que não há mais corrente que a produzida pela energia térmica.
• Somente um aumento de temperatura pode aumentar IS. Possui o seu valor dobrado para cada aumento de 10ºC na temperatura.
• Um diodo de silício possui um valor de IS muito maior que um diodo de germânio. É uma das razões pelas quais o silício domina o campo dos componentes semicondutores.
25 Corrente de fuga superficial
• Além da corrente reversa há uma pequena corrente na superfície do cristal.
• Esta outra componente da corrente reversa é denominada corrente de fuga superficial, simbolizada por IFS. É produzida por impurezas na superfície do cristal que criam trajetos ôhmicos para a corrente.
• Da mesma forma que a corrente produzida termicamente, a corrente de fuga superficial é extremamente pequena.
26 Corrente reversa
• Os datasheets dos fabricantes de diodos costumam englobar IS e IFS numa única corrente reversa IR, geralmente especificada para um dado valor de tensão reversa VR e de temperatura ambiente TA.
• Exemplo: para o Diodo 1N914 IR = 25nA para VR = 20V e TA=25ºC.
27 Tensão de ruptura
• Se a tensão reversa for aumentada até certo ponto, atinge-se a tensão de ruptura do diodo.
• Para diodos retificadores, a tensão de ruptura é geralmente maior que 50V.
• Atingida a tensão de ruptura, o diodo passa a conduzir intensamente.
* A Figura 14 (a) mostra um elétron produzido termicamente, e uma lacuna na camada de depleção.
* Devido à polarização reversa, o elétron livre é empurrado para a direita, ganhando velocidade.
* Quanto maior a polarização reversa, mais rápido desloca-se o elétron.
* O elétron pode colidir com um elétron de valência, e se estiver com energia o suficiente, formam-se dois elétrons livres.
* Os dois elétrons livres podem se acelerar e desalojar outros elétrons de valência até ocorrer a maior avalanche possível.
* Por causa do grande número de elétrons livres, o diodo conduz intensamente.
• Não se permite na maioria dos diodos que se chegue ao rompimento. Um projeto conveniente mantém a tensão reversa do diodo sempre abaixo da tensão de ruptura.
• Não há nenhum símbolo padrão para a tensão de ruptura reversa, podendo haver diversas versões:
* V(BR): tensão de ruptura.
* BV: tensão de ruptura.
* PRV: tensão reversa de pico.
* PIV: tensão inversa de pico.
* VRWM: tensão reversa máxima de trabalho.
* VRM: tensão reversa máxima.
* entre outras.
• Alguns fabricantes informam especificações da tensão reversa para cc e ca.
28 Referências bibliográficas
Malvino, P. Eletrônica, volume 1, McGraw-Hill, São Paulo, 1986.