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Semicondutores
http://www.prof2000.pt/users/lpa2
Estrutura cristalina dos
semicondutores
Quando os átomos se unem para formarem as moléculas de uma
substância, a distribuição e disposição desses átomos pode ser
ordenada e organizada e designa-se por estrutura cristalina.
O Germânio e o Silício possuem uma estrutura cristalina cúbica
como é mostrado na seguinte figura.
Átomo de
silício
http://www.prof2000.pt/users/lpa3
Ligação covalente
Nessa estrutura cristalina, cada
átomo (representado por Si)
une-se a outros quatro átomos
vizinhos, por meio de ligações
covalentes, e cada um dos
quatro electrões de valência de
um átomo é compartilhado com
um electrão do átomo vizinho,
de modo que dois átomos
adjacentes compartilham os
dois electrões.
http://www.prof2000.pt/users/lpa4
Estrutura cristalina dos
semicondutores
Na prática, a estrutura cristalina
ilustrada na figura só é
conseguida quando o cristal de
silício é submetido à temperatura
de zero graus absolutos (ou
-273ºC). Nessa temperatura,
todas as ligações covalentes
estão completas os átomos têm
oito electrões de valência o que
faz com que o átomo tenha
estabilidade química e molecular,
logo não há electrões livres e,
consequentemente o material
comporta-se como um isolante.
http://www.prof2000.pt/users/lpa5
Semicondutor intrínseco
Um semicondutor intrínseco
é um semicondutor no estado
puro. À temperatura de zero
graus absolutos (-273ºC)
comporta-se como um isolante,
mas à temperatura ambiente
(20ºC) já se torna um condutor
porque o calor fornece a
energia térmica necessária
para que alguns dos electrões
de valência deixem a ligação
covalente (deixando no seu
lugar uma lacuna) passando a
existir alguns electrões livres
no semicondutor.
http://www.prof2000.pt/users/lpa6
Semicondutor extrínseco
Há diversas formas de se provocar o aparecimento de pares electrão-
lacuna livres no interior de um cristal semicondutor. Um deles é através
da energia térmica (ou calor). Outra maneira, consiste em fazer com
que um feixe de luz incida sobre o material semicondutor.
Na prática, contudo, necessitamos de um cristal semicondutor em que o
número de electrões livres seja bem superior ao número de lacunas, ou
de um cristal onde o número de lacunas seja bem superior ao número
de electrões livres. Isto é conseguido tomando-se um cristal
semicondutor puro (intrínseco) e adicionando-se a ele (dopagem), por
meio de técnicas especiais, uma determinada quantidade de outros
tipos de átomos, aos quais chamamos de impurezas.
Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro
(intrínseco) este passa a denominar-se por semicondutor extrínseco.
http://www.prof2000.pt/users/lpa7
Processo de dopagem
Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro
(intrínseco), este passa a ser um semicondutor extrínseco.
As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco
podem ser de dois tipos: impurezas ou átomos dadores e
impurezas ou átomos aceitadores.
Átomos dadores têm cinco electrões de valência
(são pentavalentes): Arsénio (AS), Fósforo (P) ou
Antimónio (Sb).
Átomos aceitadores têm três electrões de valência
(são trivalentes): Índio (In), Gálio (Ga), Boro (B) ou
Alumínio (Al).
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Semicondutor do tipo N
A introdução de átomos
pentavalentes (como o Arsénio) num
semicondutor puro (intrínseco) faz
com que apareçam electrões livres
no seu interior. Como esses átomos
fornecem (doam) electrões ao cristal
semicondutor eles recebem o nome
de impurezas dadoras ou átomos
dadores. Todo o cristal de Silício ou
Germânio, dopado com impurezas
dadoras é designado por
semicondutor do tipo N (N de
negativo, referindo-se à carga do
electrão).
Electrão livre
do Arsénio
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Semicondutor do tipo P
A introdução de átomos trivalentes
(como o Índio) num semicondutor
puro (intrínseco) faz com que
apareçam lacunas livres no seu
interior. Como esses átomos
recebem (ou aceitam) electrões eles
são denominados impurezas
aceitadoras ou átomos aceitadores.
Todo o cristal puro de Silício ou
Germânio, dopado com impurezas
aceitadoras é designado por
semicondutor do tipo P (P de
positivo, referindo-se à falta da carga
negativa do electrão).
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Portadores maioritários e
minoritários
Num semicondutor extrínseco do tipo N os electrões estão
em maioria designando-se por portadores maioritários da
corrente eléctrica. As lacunas (que são a ausência de um
electrão), por sua vez, estão em minoria e designam-se por
portadores minoritários da corrente eléctrica.
Num semicondutor extrínseco do tipo P as lacunas estão
em maioria designando-se por portadores maioritários da
corrente eléctrica. Os electrões, por sua vez, estão em minoria
e designam-se por portadores minoritários da corrente
eléctrica.
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Movimento dos electrões e das lacunas
nos semicondutores do tipo N
Num cristal semicondutor tipo N o fluxo de electrões será muito
mais intenso (sete larga) que o fluxo de lacunas (sete estreita)
porque o número de electrões livres (portadores maioritários) é
muito maior que o número de lacunas (portadores minoritários).
A lacuna comporta-se como se fosse uma partícula semelhante ao electrão,
porém com carga eléctrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor é
submetido a uma diferença de potencial, a lacuna pode mover-se do mesmo
modo que o electrão, mas em sentido contrário, uma vez que possui carga
eléctrica contrária. Enquanto os electrões livres se deslocam em direcção ao pólo
positivo do gerador, as lacunas deslocam-se em direcção ao pólo negativo.
Electrões Electrões
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Num cristal semicondutor tipo P o fluxo de lacunas será muito
mais intenso (sete larga) que o fluxo de electrões (sete estreita)
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maior que o número de electrões livres (portadores minoritários).
A lacuna comporta-se como se fosse uma partícula semelhante ao electrão,
porém com carga eléctrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor é
submetido a uma diferença de potencial, a lacuna pode mover-se do mesmo
modo que o electrão, mas em sentido contrário, uma vez que possui carga
eléctrica contrária. Enquanto os electrões livres se deslocam em direcção ao pólo
positivo do gerador, as lacunas deslocam-se em direcção ao pólo negativo.
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  • 2. http://www.prof2000.pt/users/lpa2 Estrutura cristalina dos semicondutores Quando os átomos se unem para formarem as moléculas de uma substância, a distribuição e disposição desses átomos pode ser ordenada e organizada e designa-se por estrutura cristalina. O Germânio e o Silício possuem uma estrutura cristalina cúbica como é mostrado na seguinte figura. Átomo de silício
  • 3. http://www.prof2000.pt/users/lpa3 Ligação covalente Nessa estrutura cristalina, cada átomo (representado por Si) une-se a outros quatro átomos vizinhos, por meio de ligações covalentes, e cada um dos quatro electrões de valência de um átomo é compartilhado com um electrão do átomo vizinho, de modo que dois átomos adjacentes compartilham os dois electrões.
  • 4. http://www.prof2000.pt/users/lpa4 Estrutura cristalina dos semicondutores Na prática, a estrutura cristalina ilustrada na figura só é conseguida quando o cristal de silício é submetido à temperatura de zero graus absolutos (ou -273ºC). Nessa temperatura, todas as ligações covalentes estão completas os átomos têm oito electrões de valência o que faz com que o átomo tenha estabilidade química e molecular, logo não há electrões livres e, consequentemente o material comporta-se como um isolante.
  • 5. http://www.prof2000.pt/users/lpa5 Semicondutor intrínseco Um semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro. À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC) comporta-se como um isolante, mas à temperatura ambiente (20ºC) já se torna um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos electrões de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns electrões livres no semicondutor.
  • 6. http://www.prof2000.pt/users/lpa6 Semicondutor extrínseco Há diversas formas de se provocar o aparecimento de pares electrão- lacuna livres no interior de um cristal semicondutor. Um deles é através da energia térmica (ou calor). Outra maneira, consiste em fazer com que um feixe de luz incida sobre o material semicondutor. Na prática, contudo, necessitamos de um cristal semicondutor em que o número de electrões livres seja bem superior ao número de lacunas, ou de um cristal onde o número de lacunas seja bem superior ao número de electrões livres. Isto é conseguido tomando-se um cristal semicondutor puro (intrínseco) e adicionando-se a ele (dopagem), por meio de técnicas especiais, uma determinada quantidade de outros tipos de átomos, aos quais chamamos de impurezas. Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco) este passa a denominar-se por semicondutor extrínseco.
  • 7. http://www.prof2000.pt/users/lpa7 Processo de dopagem Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco), este passa a ser um semicondutor extrínseco. As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco podem ser de dois tipos: impurezas ou átomos dadores e impurezas ou átomos aceitadores. Átomos dadores têm cinco electrões de valência (são pentavalentes): Arsénio (AS), Fósforo (P) ou Antimónio (Sb). Átomos aceitadores têm três electrões de valência (são trivalentes): Índio (In), Gálio (Ga), Boro (B) ou Alumínio (Al).
  • 8. http://www.prof2000.pt/users/lpa8 Semicondutor do tipo N A introdução de átomos pentavalentes (como o Arsénio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam electrões livres no seu interior. Como esses átomos fornecem (doam) electrões ao cristal semicondutor eles recebem o nome de impurezas dadoras ou átomos dadores. Todo o cristal de Silício ou Germânio, dopado com impurezas dadoras é designado por semicondutor do tipo N (N de negativo, referindo-se à carga do electrão). Electrão livre do Arsénio
  • 9. http://www.prof2000.pt/users/lpa9 Semicondutor do tipo P A introdução de átomos trivalentes (como o Índio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam lacunas livres no seu interior. Como esses átomos recebem (ou aceitam) electrões eles são denominados impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores. Todo o cristal puro de Silício ou Germânio, dopado com impurezas aceitadoras é designado por semicondutor do tipo P (P de positivo, referindo-se à falta da carga negativa do electrão).
  • 10. http://www.prof2000.pt/users/lpa10 Portadores maioritários e minoritários Num semicondutor extrínseco do tipo N os electrões estão em maioria designando-se por portadores maioritários da corrente eléctrica. As lacunas (que são a ausência de um electrão), por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente eléctrica. Num semicondutor extrínseco do tipo P as lacunas estão em maioria designando-se por portadores maioritários da corrente eléctrica. Os electrões, por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente eléctrica.
  • 11. http://www.prof2000.pt/users/lpa11 Movimento dos electrões e das lacunas nos semicondutores do tipo N Num cristal semicondutor tipo N o fluxo de electrões será muito mais intenso (sete larga) que o fluxo de lacunas (sete estreita) porque o número de electrões livres (portadores maioritários) é muito maior que o número de lacunas (portadores minoritários). A lacuna comporta-se como se fosse uma partícula semelhante ao electrão, porém com carga eléctrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor é submetido a uma diferença de potencial, a lacuna pode mover-se do mesmo modo que o electrão, mas em sentido contrário, uma vez que possui carga eléctrica contrária. Enquanto os electrões livres se deslocam em direcção ao pólo positivo do gerador, as lacunas deslocam-se em direcção ao pólo negativo. Electrões Electrões
  • 12. http://www.prof2000.pt/users/lpa12 Movimento dos electrões e das lacunas nos semicondutores do tipo P Num cristal semicondutor tipo P o fluxo de lacunas será muito mais intenso (sete larga) que o fluxo de electrões (sete estreita) porque o número de lacunas livres (portadores maioritários) é muito maior que o número de electrões livres (portadores minoritários). A lacuna comporta-se como se fosse uma partícula semelhante ao electrão, porém com carga eléctrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor é submetido a uma diferença de potencial, a lacuna pode mover-se do mesmo modo que o electrão, mas em sentido contrário, uma vez que possui carga eléctrica contrária. Enquanto os electrões livres se deslocam em direcção ao pólo positivo do gerador, as lacunas deslocam-se em direcção ao pólo negativo. Electrões Electrões