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Introdução aos semicondutores
EE 530 Prof. Fabiano Fruett Introdução: Desde a invenção do transistor, o estudo da Eletrônica tem-se concentrado cada vez mais no projeto e utilização dos dispositivos semicondutores. Mas o que é um semicondutor? Esta pergunta será respondida. Serão estudadas também as principais características dos materiais semicondutores. Classificação dos Materiais De umamaneira geral os materiais podem ser divididos em: Isolantes Semicondutores Condutores

Os materiais sólidos podem ser divididos em classes principais, conforme a distribuição atômica da estrutura: Cristais Policristais Amorfos

Nosso interesse principal está nos semicondutores cristalinos (silício). Um exemplo de um cristal isolante é o sal NaCl. Classificação dos materiais de acordo com suacondutividade: Condutores (metais) Semicondutores Isolantes Supercondutores k = [107 – 106] Sm-1 k = [10-8 – 106] Sm-1 k = [10-8 – 10-16] Sm-1 k=∞

OBS: em muitos textos a condutividade é indicada por σ

EE530 I 1/1

Resistividade e condutividade de um material

Resistividade =

1 Condutividade

ρ=

1 [Ωcm] k

Faixa de resistividade típica para sólidos

A condutividade elétrica de umsemicondutor ou isolante é altamente dependente das condições ambientais, tais como temperatura, radiação luminosa, pressão, campo magnético e pureza do material etc.

Alguns elementos e compostos semicondutores

EE530 I 2/2

Os semicondutores de grande importância prática são o Si, Ge, e muitos III-V e II-VI compostos, como o Arseneto de Galiunm (GaAs), indium antimonide (InSb), indiumarsenide (InAs) e o cadmium sulphide (CdS). A razão do diferente comportamento entre metais e semicondutores é que os metais contém um numero constante de portadores móveis de carga em todas temperaturas e semicondutores não. Em um semicondutor puro, para que os portadores se tornem livres, as cargas devem ser ativadas. Essa ativação requer alguma energia, que pode vir, por exemplo, da agitaçãotérmica. Nos metais os elétrons estão livres, podendo movimentar-se através da rede quando um campo elétrico é aplicado. O mar de elétrons da camada de valência confunde-se com a camada de condução e pode mover-se livremente.

Metais:

Fig. Representação bidimensional da estrutura atômica de um metal

Exemplo de uma célula unitária de silício:
No Silício, cada átomo (com 4 elétrons de valência)é cercado por outros 4 átomos de Si. Cada átomo compartilha seus elétrons de valência com 4 átomos vizinhos de forma que a última camada, ou camada de valência, está completa com 8 elétrons. Nenhum elétron livre está disponível para condução em condições normais. Todavia os elétrons não pertencem a nenhum átomo particular e estão fracamente conectados. Quando excitados (por exemplo, excitaçãotérmica) alguns elétrons podem quebrar as ligações, ficando livres para conduzir.

Fig. Representação tridimensional da célula unitária de Si, mostrando as ligações covalentes. EE530 I 3/3

Bandas de energia:
O grau de condutividade é determinado pela estrutura de bandas de energia de um sólido. Se um sólido é um condutor, um semi-condutor ou um isolante depende do preenchimento da banda deValencia e da energia de gap entre as camadas de valência e de condução.

Fig. Estrutura simplificada das bandas de energia a 0K.

Metal Observa-se a superposição de bandas de energia Semicondutor Na temperatura de 0 K a banda de energia repleta com elétrons mais alta é chamada de banda de valência e a próxima banda é chamada de banda de condução. Isolante O nível proibido é grande demais para sertransposto
Um semicondutor pode conduzir eletricidade apenas se há alguns elétrons em sua banda de condução ou lacunas na camada de valencia. A energia na parte inferior da banda de condução é denominada EC. O próximo nível de energia permitido é chamado de banda de valencia. A energia na parte superior da banda de valencia é chamada de Ev. Entre as duas bandas permitidas está o gap de...
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