Movimento de Elétrons e Lacunas em Semicondutores: Tipo N e Tipo P, Notas de aula de Materiais

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Notas de Aula:

Eletrônica Analógica e

Digital

• Materiais Semicondutores;
• Diodo Semicondutor.

Materiais Semicondutores Intrínsecos

• Existem vários tipos de materiais semicondutores. Os mais comuns e mais utilizados são o silício (Si) e o germânio (Ge).
• Este dois elementos caracterizam-se por serem tetravalentes , ou seja, por possuírem quatro elétrons na camada de valência, como mostra a Fig. abaixo.

Si

• Por serem tetravalentes, cada um de seus átomos pode realizar quatro ligações covalentes com outros quatro átomos, como mostra a Fig. ao lado. - Por uma questão de simplicidade e para que se possa compreender melhor as figuras, esses materiais serão representados como se tivessem ligações planas, como mostra a Fig. ao lado.

• Após um determinado tempo, observando-se novamente a estrutura deste semicondutor, pode-se constatar que aquele íon positivo “ andou ”, com mostra a Fig. abaixo.
• Como o íon pode ter mudado de posição se os átomos estão presos à estrutura do material semicondutor?
• Na verdade, não foi o íon que mudou de posição, mas um outro elétron que saiu do átomo de origem e ocupou a lacuna deixada pelo elétron anterior, completando aquela ligação, deixando, porém, outra ligação incompleta, ou seja, criando outro íon positivo.
• Portanto, a movimentação do íon positivo num sentido corresponde, na verdade, à movimentação do elétron no sentido contrário.
• Este movimento dos íons positivos pode ser entendido como um movimento de partículas positivas chamadas LACUNAS ( Buraco ).

• Portanto, cientificamente, o movimento dos elétrons (-) num sentido significa a mesma coisa que o movimento das lacunas (+) no sentido contrário.
• Este fenômeno ocorre sempre que existe a condução elétrica.
• Num material condutor submetido a um potencial elétrico, pelo fato dele possuir muitos elétrons livres, o movimento das lacunas é desprezível.
• Já, nos materiais semicondutores intrínsecos , como para cada elétron livre gerado tem-se uma lacuna correspondente, o movimento destas não pode ser desconsiderado e, portanto, quando um semicondutor é submetido a um potencial elétrico, tanto na condução dos elétrons num sentido quanto a das lacunas no sentido contrário são importantes. Pólo Positivo Pólo^ Negativo Elétrons Lacunas

• Como os elétrons livres são cargas elétricas negativas, este semicondutor é chamado de tipo N.
• De maneira análoga, se as impurezas acrescentadas são de átomos de um material trivalente ( 3 elétrons na camada de valência) como, por exemplo, o alumínio (Al), o boro (B) e o gálio (Ga), as ligações covalentes formarão lacunas.
• Por isso, as impurezas trivalentes são chamadas de impurezas tipo P.
• Desta forma, o número de lacunas é maior que o número de elétrons livres, ou seja, neste semicondutor as lacunas são portadores majoritários e os elétrons livres são portadores minoritários.

• Como as lacunas podem ser consideradas cargas elétricas positivas, este semicondutor é chamado de tipo P.
• Os cristais semicondutores N ou P, por conterem impurezas, são também denominados semicondutores extrínsecos.
• A técnica de se acrescentar impurezas ao semicondutor para aumentar tanto o número de elétrons livres quanto o número de lacunas é chamada de dopagem e, por isso, a impureza também é chamada de dopante.
• No caso dos semicondutores III – V (GaAs e InP), não existe um processo de dopagem propriamente dito. Os semicondutores tipo N e P , no caso do GaAs, são obtidos através do aumento da dose de Ga (para tipo N ) e de As (para tipo P ).

• Como o processo de recombinação ocorre inicialmente na região próxima a junção (interface), um fenômeno interessante acontece: a formação de uma camada de depleção.
• Depleção: significa ausência de portadores majoritários na região próxima à junção PN.
• Mas como isso acontece?
• À medida que os átomos do material tipo P próximos a junção recebem os primeiros elétrons preenchendo suas lacunas, no lado N forma-se uma região de íons positivos (falta de elétrons) e, no lado P , uma região com íons negativos (excesso de elétrons), dificultando ainda mais a passagem de elétrons do material tipo N para o tipo P.
• Assim , a partir de um certo momento, este fluxo de elétrons cessa e esta região ionizada (camada de depleção) fica com ausência de elétrons e lacunas, que são os responsáveis pela corrente elétrica.

• Como a camada de depleção fica ionizada, cria-se uma diferença de potencial na junção chamada de barreira de potencial, cujo símbolo é Vγ.
• Esta diferença de potencial (barreira) Vγ, a 25 C é de aproximadamente 0 , 7 V para os diodos de silício e 0 , 3 V para os diodos de germânio.
• A Fig. abaixo mostra duas propriedades da junção PN.

• Com Vcc > Vγ, os elétrons do lado N ganham mais energia por que são repelidos pelo terminal negativo da fonte, rompem a barreira de potencial Vγ e são atraídos para o lado P, atravessando assim, a junção.
• No lado P, eles recombinam-se com as lacunas, tornando-se elétrons de valência, mas continuam deslocando-se de lacuna em lacuna, pois são atraídos pelo terminal positivo da fonte, formando-se uma corrente elétrica de alta intensidade (ID ou IF) , fazendo com que o diodo semicondutor se comporte como um condutor ou uma resistência direta RD muitíssimo pequena. POLARIZAÇÃO REVERSA:
• A polarização reversa ocorre quando o potencial negativo da fonte encontra-se ligado no lado P e o potencial positivo no lado N.

• Neste caso, os elétrons do lado N são atraídos para o terminal positivo e as lacunas para o terminal negativo da fonte. Com isso, forma-se mais íons positivos do lado N e íons negativos do lado P, aumentando, assim, a camada de depleção e, consequentemente, a barreira de potencial.
• A barreira de potencial aumenta até sua diferença de potencial se igualar à tensão da fonte de alimentação. Portanto, quanto maior a tensão da fonte, maior a barreira de potencial.
• Desta forma, os portadores majoritários de cada lado do diodo (lacunas no lado P e elétrons no lado N) não circulam pelo circuito.
• Por outro lado, existe uma corrente muito pequena formada pelos portadores minoritários (elétrons no lado P e lacunas no lado N), muitos deles criados continuamente pela energia térmica a temperatura ambiente.
• Esta pequena corrente elétrica é chamada de corrente reversa (IR) estando limitada aos portadores minoritários, ou seja, ela não aumenta proporcionalmente à tensão reversa aplicada ao diodo, sendo considerada desprezível na grande maioria dos casos. Assim, o diodo se comporta como se fosse um circuito aberto ou uma resistência reversa RR altíssima.

• Para facilitar a compreensão do funcionamento do diodo semicondutor, pode-se descrever graficamente o seu comportamento elétrico através da curva característica que mostra a corrente em função da tensão aplicada. Figura: Curva Característica do Diodo Semicondutor.
• Este gráfico mostra que para tensões negativas (polarização reversa) a corrente é praticamente nula , caracterizando uma resistência elétrica muito alta, sendo esta tensão limitada por VBr (Tensão de ruptura ou breakdown voltage ). Obs.: Nos manuais de fabricantes IDM = IFM.

• Para tensões positivas (polarização direta), até Vγ a corrente é baixa, mas acima de Vγ, ela passa a ser bastante alta, caracterizando uma resistência elétrica muito baixa sendo esta corrente elétrica limitada por IDM ou IFM.
• Esta curva também mostra que, como todo dispositivo elétrico e eletrônico, o diodo semicondutor tem determinadas características e limitações que são especificações dadas pelos fabricantes. Principais Especificações do Diodo Semicondutor

1. Como a junção PN possui uma barreira de potencial natural (Vγ), na polarização direta só existe corrente elétrica se a tensão aplicada ao diodo:

V

D

≥ Vγ

2. Na polarização direta, existe uma corrente máxima que o diodo pode conduzir (IDM ou IFM) e uma potência máxima de dissipação (PDM ou PFM), cuja relação é:

P

DM

=V

D

.I

DM 3 ) Na polarização reversa, existe uma tensão reversa máxima que pode ser aplicada ao diodo chamada de tensão de ruptura ou breakdown voltage (VBr). 4 ) Na polarização reversa, existe uma corrente muito pequena denominada corrente reversa (IR).

• O ponto Q pode ser obtido através da curva característica do diodo, na qual traça-se uma reta de carga.
• Para traçar a reta de carga, procede-se da seguinte forma:

1. Determina-se a tensão de corte Vc (tensão no diodo quando ele está aberto);

V

c

= V

cc 2 ) Determina-se a corrente de saturação Is (corrente no diodo quando ele está em curto);

I

s

= V

cc

/R

L 3 ) Traça-se a reta de carga sobre a curva característica do diodo; 4 ) O ponto de quiescente (VD e ID) corresponde exatamente às coordenadas do ponto Q onde a reta de carga intercepta a curva característica do diodo. 5 ) Pode-se, também, calcular a potência de dissipação do diodo pela equação:

PD=VD.ID

Exemplo:

• Dada a curva característica de um diodo, mostrada na Fig.
  3. 15 , determinar o seu ponto quiescente e sua potência de dissipação, sabendo-se que ele está ligado em série com um resistor de 50 Ω e alimentado por uma fonte de 2 , 2 V.
• Resolução: Primeiramente, deve-se determinar a reta de carga: Traça-se agora a reta de carga sobre a curva característica do diodo, Fig. acima. Assim, o ponto quiescente resultante é: VD = 1 , 2 V e ID = 20 mA Finalmente, a potência dissipada pelo diodo vale: