TEORIA DOS SEMICONDUTORES
TEORIA DOS SEMICONDUTORESDos materiais utilizados no campo da
eletrnica, temos:
CONDUTOR - Material que mantm um fluxo de carga quando uma
tenso, de amplitude limitada, aplicada em seus terminais.
ISOLANTE - Material que oferece um nvel muito baixo de
condutividade quando se aplica uma fonte de tenso.
SEMICONDUTOR - Material que mantm um nvel de condutividade entre
os extremos de um isolante e um condutor.
BONS CONDUTORES - Cobre um bom condutor 29 prtons e vinte nove
eltrons, bem como ouro e prata.
Somente um eltron na ltima camada fora menor para anular a atrao
do ncleo.
Bandas de Energia
Um tomo formado por eltrons que giram ao redor de um ncleo
composto por prtons e nutrons.
Os eltrons giram em rbitas ou nveis bem definidas conhecidas
como K,L,M,N,O,P E Q.
Eltrons de maior energia esto situados nas rbitas mais
externas.
Cada rbita possui um nmero mximo de eltrons.
Modelo atmico de Bohr
rbita externa = rbita de valncia ou Banda de Valncia controla as
propriedades eltricas do tomo. Eltrons nesta banda pode se libertar
ou se ligar a outro tomo atravs de ligaes covalentes. A quantidade
de eltrons nesta camada tem influencia significativa nas
caractersticas eltricas do elemento.
Eltrons livres rbita mais externa ou Banda de Conduo, qualquer
tenso faz com um eltron livre circule de um tomo para o outro.
Banda proibida regio entre uma rbita e outra onde no possvel
existir eltrons. A largura dessa banda, define o comportamento
eltrico do material.
FATORES QUE INFLUENCIAM NA DIFERENA ENTRE DIVERSOS
MATERIAIS:
Composio qumica cobre, carbono, silcio, etc.
Ligao covalente, inica ou metlica
Forma de organizao Estrutura amorfa quando esto
desorganizados
Estrutura cristalina quando esto organizados
ION POSITIVO Quando um tomo neutro perde um ou mais eltrons.
ION NEGATIVO Quando um tomo ganha eltrons ele fica negativamente
carregado.
MATERIAIS SEMICONDUTORES
Os semicondutores possuem 4 eltrons na camada de valncia e
precisam de mais 4 para se tornaram estveis, e o fazem com a
participao dos tomos vizinhos => todos entre si => formando
uma ligao firme e estvel chamada de cristal.
LIGAO COVALENTE Cada tomo compartilha um par de eltrons com os
vizinhos.
Obs.: Existem tambm materiais conhecidos como semicondutores
III-V que so formados a partir da ligao entre um elemento
trivalente e um pentavalente. Os mais comuns so o arseneto de glio
(GaAs) e o fosfeto de ndio (InP).
O Silcio (Si) por ser o mais abundante na natureza o material
mais utilizado (pode ser obtido a partir de quartzo que encontrado
na areia da praia e na terra) e portanto, mais barato.
ESTRUTURA ATMICA DO TOMO DE SILCIO
Quando tomos de silcio se combinam para formar um slido, cada
tomo cede dois eltrons para o seu vizinho (ligao covalente), de tal
forma que cada um fica com oito eltrons na ultima camada,
tonando-se, portanto estvel, segundo um padro ordenado chamado de
Cristal.
CORRENTE NOS SEMICONDUTORES
Dois tipos de fluxo de corrente quando h ruptura de uma ligao
covalente em um semicondutor, ser deixada uma lacuna na estrutura
do cristal em virtude da perda de um eltron. Como as lacunas so
preenchidas por eltrons prximos, deixando em seu lugar uma outra
lacuna, o efeito total de uma unidade de carga positiva
deslocando-se do primeiro para o segundo tomo, corrente de lacunas
e em sentido oposto corrente de eltrons.
Obs.: A Energia trmica pode causar uma Corrente no cristal pela
agitao dos eltrons, quanto maior a temperatura, maior ser as
vibraes mecnicas.
Corrente de deriva quando se aplica uma diferena de potencial em
um semicondutor, o campo eltrico estabelecido no material faz com
que os eltrons livres desloquem-se numa direo e as lacunas em outra
oposta, essas duas componentes somam-se em vez de cancelarem-se. Os
eltrons livres e as lacunas so muitas vezes chamados de
portadores.SEMICONDUTOR INTRNSECO um semicondutor puro, ou seja,
todos os tomos do cristal so de silcio (Si), ou germnio (Ge) ou
arseneto de glio (GaAs) ou fosfeto de ndio .
Obs.: A 273oC o semicondutor intrnseco se comporta como um
isolante perfeito.
SEMICONDUTOR EXTRNSICO
Forma de se aumentar a condutibilidade de um semicondutor, isso
significa adicionar impurezas aos tomos. Um condutor dopado chamado
de semicondutor extrnseco.
Para aumentar o nmero de eltrons livres, adiciona-se tomos
pentavalentes ao silcio em fuso, ex.: arsnio (As), antimnio(Sb) e
fsforo (P) este processo chamado de dopagem.
Por possurem eltrons livres em excesso so chamados de material
tipo N.Num material tipo N os eltrons livres so chamados de
portadores majoritrios e as lacunas de portadores minoritrios.
Tipo N Tipo P
Para aumentarmos o nmero de lacunas, utilizamos impurezas
trivalentes, cujos tomos possuem apenas trs eltrons de valncia,
ex.: alumnio (Al), boro (Bo) e glio (Ga).
Por possurem lacunas em excesso so chamados de material tipo
P.
Num material tipo P as lacunas so os portadores majoritrios e os
eltrons os portadores minoritrios.
O DIODO SEMICONDUTOR JUNO PNO diodo semicondutor formado
juntando-se um bloco de material tipo P com um bloco de material
tipo N Juno PNDiodo no polarizado No momento da juno haver uma
corrente de difuso, criando uma regio de ons negativos e positivos
no combinados chamado de Regio de Depleo e a distribuio da carga
nessa rea chamado de Carga Espacial.
A largura da regio de depleo dependente dos nveis de dopagem dos
materiais P e N.
O Campo eltrico que aparece na regio de depleo devido aos ons
positivos e negativos chamada de Barreira de potencial.
temperatura de 25o C, a barreira de potencial aproximadamente
0,3 V para o Ge e 0,7 V para o Si.
Formao da Juno PN A= tomos aceitadores; h = lacunas associadas;
D = tomos doadores; e = eltrons associados; + = ons positivos e - =
ons negativos.
SIMBOLOGIA
O lado P da juno PN conhecido como anodo (A) do diodo e o lado N
como catodo (K).
POLARIZAO DIRETA E REVERSA DAS JUNES
Uma juno PN polarizada diretamente, os eltrons livres do lado N
so atrados pelo plo positivo da fonte externa e as lacunas so
foradas a entrar na regio P. Eltrons difundem-se pela regio de
depleo e recombinam-se com as lacunas do material P. A regio de
depleo estreita-se com a polarizao direta. A tenso direta aplicada
tem que ser maior do que a diferena de potencial que aparece na
juno, que para o semicondutor de silcio, est compreendida ente 0,5
e 0,8 V (valor normalmente utilizado 0,7 V)
Uma juno PN polarizada reversamente a fonte de tenso est
invertida aumentando a barreira de potencial na juno.
Nesse tipo de polarizao, o plo positivo atrair os eltrons e o
plo negativo as lacunas, aumentando assim a barreira de potencial,
no havendo, portanto conduo de corrente eltrica devido aos
portadores majoritrios, existindo apenas uma corrente devido aos
portadores minoritrios corrente de Saturao (Is), que para o Silcio
da ordem de nanoamperes (nA), tornando-se desprezvel e muito menor
que a do Germnio, da o silcio ser muito mais utilizado.
Corrente de Fuga da superfcie corrente que circula na superfcie
do cristal devido as ligaes covalente quebradas.
RUPTURA
Valor de tenso reversa que um diodo pode suportar. Ao se
aumentar a tenso reversa os portadores minoritrios so acelerados e
colidem com os tomos do cristal liberando eltrons de valencia, ou
seja, produzem eltrons livres, que por sua vez colidem com outros
tomos liberando mais eltrons livres, que vo se somando aos j
existentes at que a corrente se torne muito alta e o diodo conduz
intensamente. A tenso de ruptura depende do nvel de dopagem. Diodos
retificadores possuem tenso de ruptura geralmente maior que
50V.
.
O EFEITO ZENEER
Diodos fortemente dopados a camada de depleo muito estreita
fazendo com que a tenso de ruptura ocorra para valores de tenso
mais baixos, significa dizer que a tenso permanece constante
independente da corrente (reversa) que circule por ele. Diodos que
utilizam esta propriedade so chamados de diodo Zener, muito
utilizados como referencia de tenso.
Resistor de limitao de corrente e Reta de carga
A corrente no diodo ser:
R chamado de resistor de limitao de corrente, pois a corrente
que circula nele a mesma que circula no diodo.
Dissipao mxima de potncia
O produto da corrente pela tenso direta determinar a potncia
mxima, no entanto, uma vez respeitada a corrente nominal mxima o
diodo no queimar.
O DIODO IDEALO diodo ideal funciona como uma chave.
Considerando que o diodo s conduz aps ter vencido a barreira de
potencial de 0,7V.
Considerando a resistncia de corpo rB do diodo
Ne = 2n2 Ge Si
K = (n=1) = 2 2 2
L = (n=2) = 8 8 8
M = (n=3) = 18 18 4
N = (n=4) = 32 4 0
32 14
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