AULA 2 - Eletrônica Geral 1 - Técnico
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Material Intrínseco
Como comentado anteriormente, uma cristal semicondutor composto unicamente por átomos de silício é chamado de semicondutor ÍNTRINSECO.
Em um semicondutor intrínseco, a geração de elétrons livres e de lacunas ocorre principalmente devido ao efeito térmico e as concentrações desses dois portadores de carga são iguais, ou seja, para cada elétron livre criado, uma lacuna é automaticamente gerada.
Esses portadores podem se movimentar ao longo do cristal de silício: o elétron na banda de condução e a lacuna, na banda de valência.
Existem no entanto dois fatores que influenciam neste movimento de portadores, sendo eles o movimento por difusão e o movimento por deriva.
Difusão
A difusão ocorre pela variação da concentração de e- e lacunas, devido à atração que os elétrons livres e as lacunas exercem entre si, uma vez que os elétrons são portadores de carga negativa e as lacunas, de carga positiva.
Desta forma, uma corrente de difusão atua no sentido de homogeneizar a distribuição de cargas, ao longo do material, da zona de maior concentração de cargas, para a de menor concentração.
Deriva
A deriva ocorre pela aplicação de um campo elétrico externo ao material.
Como se sabe, a presença de um campo elétrico irá gerar uma força elétrica sobre os portadores de carga, pondo-os em movimento.
Neste caso, as lacunas se movimentarão no sentido do campo elétrico e os elétrons livres, no sentido oposto.
A velocidade com que os portadores se movimentarão pelo efeito do campo elétrico dependerá do tipo de material semicondutor utilizado no cristal e seu nível de pureza.
Ocasionalmente, ao se aproximar de uma lacuna, um elétron livre pode ser atraído por ela e então ”capturado”. É o fenômeno inverso ao da geração, quando um elétron livre retorna da banda de condução para a de valência, fazendo desaparecer o par elétron-lacuna.
Essa união de um elétron livre com uma lacuna é chamada de recombinação.
Geração e recombinação ocorrem dinamicamente no material!
Em cristais semicondutor puro: no de elétrons = no de lacunas
A recombinação então é responsável pela retirada de um elétron da banda de condução e pela sua devolução à banda de valência.
O intervalo de tempo entre a geração de um elétron livre e a sua recombinação em um determinado material semicondutor é denominado de tempo de vida e este é dependente da pureza e estrutura do semicondutor.
Uma vez que cada material semicondutor possui uma velocidade de deriva e um tempo de vida, pode-se definir para cada material um comprimento médio livre, ou seja, a distância média que um elétron livre pode atingir em um material semicondutor antes de se recombinar.
Material Extrínseco
Dopagem
Como comentado anteriormente, em materiais semicondutores intrínsecos a quantidade de elétrons na banda de condução e a quantidade de lacunas na banda de valência dependem principalmente da largura do gap de energia e da temperatura do material.
Na prática, no entanto, impurezas presentes nos cristais de materiais semicondutores podem alterar fortemente as características da rede, modificando assim a concentração de elétrons livres e lacunas. Estas impurezas são pequenas quantidades de outros átomos, inseridos nas redes cristalinas.
As características elétricas de um material intrínseco pode ser completamente alterada pela adição de apenas 1 parte de impurezas por cada 10 milhões de partes de semicondutor .
Para a construção de dispositivos semicondutores, foco do estudo e desenvolvimento da eletrônica moderna, as características elétricas dos materiais semicondutores intrínsecos são propositalmente alteradas pela adição de impurezas, criando os chamados materiais extrínsecos tipo n e tipo p.
O processo de formação dos materiais extrínsecos é denominado Dopagem, e será explicada com mais detalhes nas próximas seções.
Material Tipo n
Os materiais extrínsecos do tipo n têm como portador majoritário os elétrons livres, logo, o processo de dopagem deve ocorrer no sentido de aumentar a concentração de elétrons na banda de condução, em temperatura ambiente.
Como, normalmente, os materiais semicondutores mais comuns como o Germânio (Ge) e o Silício (Si) são tetravalentes, a dopagem do tipo n é efetuada ao se inserir na rede cristalina do semicondutor impurezas doadoras de elétrons, isto é, átomos que ao serem inseridos na estrutura cristalina irão fornecer um elétron para a banda de condução.
Os elementos doadores mais comuns são: o arsênio, o fósforo ou o antimônio.
Figura 7: Inserção de um átomo doador em uma rede cristalina de Silício
Esses materiais são pentavalentes, ou seja, possuem 5 elétrons na camada de valência.
Ao se inserir átomos pentavalentes em uma rede de átomos tetravalentes (Germânio ou Silício), um dos elétrons não irá formar uma ligação covalente.
O elétron desassociado de qualquer ligação covalente está fracamente conectado ao seu núcleo, o que faz com que ele possa ser arrancado de sua órbita mais facilmente.
A dopagem do tipo n faz com que apareça dentro do gap entre a banda de valência e a de condução, um novo nível de energia. Os elétrons desassociados encontram-se todos nesse novo nível, sendo que agora a energia necessária para que os elétrons dissociados alcancem a banda de condução seja significativamente menor do que o gap original do silício intrínseco.
Material Tipo p
Em um material tipo p, os portadores majoritários são as lacunas.
O processo de dopagem, portanto, consiste em se aumentar o número de lacunas presentes na banda de valência.
Para tal, insere-se na estrutura cristalina átomos trivalentes (possuem 3 átomos na camada de valência), receptores, como o Boro, o Gálio e o índio.
A Figura 8 ilustra o resultado da inserção de Boro em um cristal de silício intrínseco.
Observe que agora não existem elétrons suficientes para realizar todas as quatro ligações covalentes necessárias.
A falta de um elétron provoca o surgimento de uma lacuna.
Portadores Majoritários e Minoritários
Em um material intrínseco, a banda de condução é ocupada exclusivamente por elétrons que adquiriram energia suficiente para romper as suas ligações covalentes e vencer o gap de energia.
Neste caso, cada elétron livre deixa na banda de valência uma lacuna, isto é, a concentração de elétrons livres e lacunas é a mesma.
Já em um material dopado, a concentração de elétrons ou lacunas é elevada pela inserção de impurezas doadoras ou receptoras.
Em um material do tipo n, por exemplo, a concentração de elétrons livres na temperatura ambiente é muito superior à observada em um material intrínseco, contudo, a concentração de lacunas não muda muito em relação ao material puro.
Isso significa que em um material do tipo n existirá um grande número de elétrons livres e um pequeno número de lacunas.
Neste caso, chamamos os elétrons de portadores majoritários e as lacunas de portadores minoritários.
Em um material do tipo p, as concentrações se invertem, ou seja, a lacuna representa o portador majoritário e o elétron livre, o portador minoritário.
Como comentado nas seções anteriores, a presença de um átomo doador em meio à rede cristalina provoca o aparecimento de um íon negativo, enquanto que, a presença de um átomo receptor gera um íon positivo.
Nesses casos é importante frisar que o aparecimento desses íons não faz com que o material como um todo se torne mais negativo ou positivo.
Como o número de elétrons e prótons em ambos os casos é o mesmo, um material do tipo n, ou um material do tipo p são eletricamente NEUTROS.
Junção PN
No capítulo passado discutimos a estrutura física de materiais semicondutores intrínsecos e extrínsecos. Esses materiais são a base da eletrônica moderna, a qual baseia-se em dispositivos semicondutores, constituídos por junções de materiais tipo n e tipo p. Vamos ver, porém, que elementos tipo P ou N não são “grande coisa” individualmente.
Quando unidos, é que cria-se um efeito interessante na junção dos materiais.
Neste capítulo iniciaremos os estudos dos dispositivos semicondutores básicos e suas aplicações em circuitos elétricos.
Existem, basicamente, três tipos de junções PN funcionais:
Sendo que a primeira é utilizada na construção de DIODOS e as duas últimas, em TRANSÍSTORES.
Diodos
O dispositivo de estado sólido (semicondutor) mais simples é o diodo de junção, o qual é constituído por uma junção PN, isto é, a união entre um cristal do tipo n e outro do tipo p.
A a união dos dois cristais é ilustrada na Figura abaixo, onde estão explicitados os portadores majoritários de cada cristal.
Exatamente na união dos dois materiais
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