www.eletronica24h.com.br   www.geocities.com/romulo1954  www.romulooliveira.hpg.com.br 

CURSO DE ELETRÔNICA BÁSICA  - Aula01
 Semicondutores 

 Semicondutores  Intrínsecos

1.1-   Introdução

Como sabemos  os materiais usados em eletrônica  se classificam em  condutores ( cobre , alumínio, ferro, ouro, prata, etc ) e isolantes ( madeira, borracha, ar, vidro, etc ), mas  existe um outro tipo de material chamado de semicondutor ( pois tem resistividade intermediaria entre condutor e isolante  ) que  também são largamente usados em   eletrônica  principalmente depois  dos anos 50.Estes materiais   ao contrario dos condutores tem a sua resistividade alterada quando é fornecida algum tipo de radiação ( térmica e luminosa principalmente) . Isto os torna particularmente interessantes na construção de sensores e dispositivos eletrônicos ( diodos, transistores,SCR, TRIAC, etc).

  1.2 - Semicondutor Intrínseco

Que materiais são esses ? Quais  as suas principais características ? Os primeiros semicondutores usados foram o Germânio ( Ge ) e   o Silício (Si ) , mas outros semicondutores já estão sendo utilizados atualmente, como Arsenieto de Gálio ( AsGa) e outros.  Daremos  ênfase ao estudo considerando os dois primeiros.Para entendermos  as características  de um semicondutor deveremos fazer uma analise do ponto de vista atômico. A fig01a mostra a estrutura de um átomo  de Si, no qual podemos verificar  que  o mesmo tem 4 elétrons na camada de valencia ( ultima camada ). Como é essa ultima camada  que determinará as  propriedades do Si,  a partir de agora a só consideraremos o núcleo , positivo e  os quatro elétrons  da camada de Valencia, fig01b

( a )	( b )
Fig01:  Átomo de Si

           É importante observar que  o átomo é neutro, pois o numero de elétrons é igual ao numero de prótons . O Si é um cristal, isto é,  o arranjo  geométrico dos átomos é feito de forma regular e ordenada. No caso esse arranjo é  chamada de cúbico, no qual cada átomo  se liga  com quatro átomos vizinhos  através de ligações chamadas de covalentes.   A fig02 mostra esse arranjo.

À temperaturas próximas do zero absoluto  (-273ºC )  o Si se comporta como um isolante porque não existem  elétrons livres  disponíveis para  a condução, mas à medida que a temperatura aumenta  a energia que é fornecida  aos elétrons da ultima camada ( camada de valencia ) é suficiente para que  " quebrar"  a ligação covalente  fazendo com que os mesmos se tornem livres.O extraordinário desse fenômeno é que , além do elétron que foi liberado,  a ausência desse elétron na ligação covalente pode se comportar como carga elétrica , é a lacuna ou buraco . A fig03 mostra  a mesma estrutura da fig02 considerando que algumas ligações covalentes foram rompidas.

Se agora for aplicado um campo elétrico ao cristal  uma corrente elétrica aparecerá. O mecanismo de condução devido aos elétrons livres já é conhecido, expliquemos como é o mecanismo de condução devido a uma lacuna. A fig04a mostra o cristal de Si  sendo submetido a um campo elétrico . Os elétrons livres se deslocarão  contra o campo elétrico, enquanto as lacunas  se deslocarão  no mesmo sentido do campo. Mas como isso acontece ? Na mesma fig4, num instante t1

Fig04:  Cristal de Si submetido a um campo elétrico ( tensão elétrica ) - instante t1

Num instante t2  um elétron de valência , caso tenha energia suficiente ( quem está fornecendo essa energia  é a fonte externa ) poderá ocupar a lacuna , mas ao fazer isso deixa uma lacuna, e assim sucessivamente. As fig05 e fig06 mostram essa seqüência . Então tudo se passa com se  uma carga positiva estivesse se deslocando para a direita da fig, na realidade são elétrons de valência  que se deslocam no sentido contrário. Observar que  esses elétrons de valência se transformam em elétrons livres  quando entram no metal ( não esqueça,  o semicondutor está ligado à bateria através  de fios de cobre )

Fig06:  Cristal de Si submetido a um campo elétrico ( tensão elétrica ) - instante t3

Resumindo:  Em um semicondutor , que está submetido a uma tensão,  aparecerá uma corrente que será constituída de dois tipos de portadores de carga: elétrons livres e lacunas.
                       O numero de lacunas por unidade de volume (p)  é igual ao número de elétrons livres por unidade de volume ( n)  em um  semicondutor intrínseco, n = p = n_i é chamada de concentração intrínseca.
      Quanto maior a temperatura do cristal maior o valor de n_i e portando o material  conduzirá melhor ( aumenta a condutividade ,s ).Obs: A condutividade de qualquer material é calculada por:  s =q_e.( m_n.n + m_p.p ) , onde  
q_e =1,6.10^-19C   m_n é a mobilidade dos elétrons livres e m_p é a mobilidade das lacunas.

  1.23- Semicondutor Extrínseco

Como vimos , quando  é fornecido algum tipo de energia a  um semicondutor a sua condutividade muda ( no caso  aumenta ). Existe uma outra forma de controlar a condutividade de um semicondutor  com um controle mais preciso: Adicionando  impurezas . Uma impureza é uma substancia que é adicionada em quantidades bem controladas com o  objetivo de modificar as características elétricas de um semicondutor, especificamente a sua condutividade.

  1.2.3.1- Semicondutor Extrínseco Tipo N

Se for adicionado a um  material puro uma impureza  pentavalente ( cinco elétrons na camada de valência ), como por exemplo o fósforo (P), quatro dos elétrons  formarão ligações covalentes com quatro átomos de Si. O quinto elétron fica fracamente preso ao núcleo( a energia de ligação deste quinto elétron é muito menor do que a energia de ligação dos outros elétrons ).
  Novamente, a zero graus ( -273ºC ) não existem portadores de carga, e o material se comporta como um isolante.Aumentando a temperatura, primeiramente serão liberados aqueles " quintos "  elétrons. Chamamos essa temperatura de temperatura de ionização ( T_i  ).Aumentando mais ainda a temperatura, será atingida a temperatura de geração dos pares eletron-lacuna (T_g) na qual  algumas ligações covalentes começam a ser quebradas  gerando elétrons livres e lacunas .Observe que nesse ponto todos os átomos da impureza já estão ionizados.