Aula 02 - Semicondutor Extrínseco

Eletrônica Básica 

Aula 02:  Semicondutor Extrínseco
 Bibliografia: Microeletrônica - Vol.1 Sedra e Smith e Eletrônica Vol 1 - Malvino

Semicondutores  Extrínsecos  

O  semicondutor visto anteriormente tem como principal característica o fato da concentração (numero de portadores por cm3) de elétrons livres ser igual à de lacunas e o seu número ser altamente depende da temperatura. Um semicondutor  extrínseco terá algumas de suas características elétricas (como por exemplo a condutividade) alterada se forem adicionadas impurezas com níveis de concentração adequados.

Semicondutor Tipo N 

O semicondutor tipo N é obtido adicionando-se quantidades controladas de impurezas pentavalente ao material puro (semicondutor intrínseco). Por exemplo adicionando-se o fósforo (P) o qual é pentavalente (5 elétrons na camada de valência), o mesmo substituirá um átomo de semicondutor (Ge ou Si). Quatro dos seus elétrons serão compartilhados com quatro átomos vizinhos de Si enquanto o quinto elétron poderá se tornar livre em temperaturas muito baixas sem que seja gerado lacuna. 

 

                                                                                       ( a )                                                                                     ( b )

Figura 1: ( a ) Átomo de fósforo ligado a quatro átomos de Si ( b )  quinto elétron livre, gera um íon preso à estrutura cristalina

                                                                                                                

Desta forma inicialmente só teremos elétrons livres como portadores de carga, por isso o material  é chamado de N e a impureza de doadora. Aumentando-se mais ainda a temperatura será atingida uma temperatura para a qual serão gerados os pares elétron-lacuna. Os elétrons livres são chamados de portadores majoritários enquanto as lacunas são chamadas de portadores minoritários.

Se N_D é a concentração de átomos da impureza, a   concentração de elétrons livres no equilíbrio térmico (taxa de geração de pares  elétron-lacuna = taxa de recombinação de pares), n_n0, será dada por:
n_{n0 =}N_D  e a concentração de lacunas será calculada aproximadamente por:

(equação 1)

     
onde ni é a concentração intrinseca  de pares eletron-lacuna, valendo  2,5x10¹³ cm^-3 para o Ge e  1,5x10¹⁰ cm^-3   para o Si a temperatura ambiente de 27ºC.
Como n_i depende da temperatura, significará que a concentração de lacunas será dependente da temperatura, porém como a concentração de elétrons livres será praticamente igual N_D então não dependerá da temperatura.
Semicondutor Tipo P

O semicondutor tipo P é obtido adicionando-se quantidades controladas de impurezas trivalente ao material puro (semicondutor intrínseco). Um exemplo deste tipo de impureza é o boro (B). Como o boro é trivalente os seus três elétrons de Valencia serão compartilhados com quatro átomos de Si, porém uma das ligações não será completada. Essa lacuna poderá se comportar como um portador de carga positivo em uma temperatura muito baixa quando um elétron de valência de um átomo vizinho se deslocar para ocupar aquela vaga.

( a )	( b )
Figura 2: ( a ) Átomo de boro ligado a quatro átomos de Si ( b )  a vaga (lacuna) é preenchida por um elétron de valência de um átomo próximo, gera um íon negativo preso à estrutura cristalina

              Observe que o elétron que se desloca para preencher a vaga (lacuna) não é livre. Do ponto de vista elétrico tudo se passa como se uma carga positiva de mesmo valor que a carga do elétron estivesse se deslocando no sentido contrário ao movimento do elétron.

Conclusão importante !! O processo de  condução por lacunas  não tem elétrons livres.

Desta forma inicialmente só teremos lacunas  livres como portadores de carga, por isso o material  é chamado de P e a impureza de aceitadora. Aumentando-se mais ainda a temperatura será atingida uma temperatura para a qual serão gerados os pares elétron-lacuna. As lacunas livres são chamados de portadores majoritários enquanto os elétrons livres são chamados de portadores minoritários.

Se N_A é a concentração de átomos da impureza aceitadora, a   concentração de lacunas  livres no equilíbrio térmico (taxa de geração de pares  elétron-lacuna = taxa de recombinação de pares), p_n0, será dada por:

p_n0 @ N_A  e a concentração de elétrons livres  será calculada aproximadamente por:

(equação 2)

Importante lembrar!! os materiais N e P são eletricamente neutros, as cargas livres são neutralizadas pelos íons presos à estrutura cristalina.

Veja este vídeo (em inglês) sobre semicondutores: http://www.allaboutcircuits.com/videos/50.html 

Difusão

Imagine uma gota de tinta sendo colocada em um copo com água. O que acontecerá? A  tinta irá se difundir pela água em uma tentativa de uniformizar a concentração. Esse fenômeno de difusão é usado para explicar a corrente em uma junção PN. Quando existir uma diferença de concentração de portadores entre dois pontos de um condutor,  esses portadores se deslocarão entre os dois pontos fazendo aparecer uma corrente chamada de corrente de difusão.

Junção PN

É obtida conectando, de forma adequada, material P ao material N. Como existe uma diferença de concentração de portadores de ambos os lados da junção, inicialmente haverá uma difusão de   elétrons livres do lado N indo para op lado P e ao mesmo tempo lacunas se difundirão do lado P para o lado N. A conseqüência disso é que do lado N aparecerão íons positivos não neutralizados e do lado P íons negativos não neutralizados fazendo aparecer uma região que não tem  cargas  livres, por isso é chamada de região de depleção. 

Essa distribuição de cargas cria uma barreira a qual se oporá à difusão de mais portadores  majoritários, lacunas no lado P e elétrons livres no lado N. Essa corrente é representada por I_Difusão   na figura 3.
Caso  algum portador minoritário (aqueles gerados pela temperatura), elétron livre do lado P ou lacuna do lado N,  se aproxime desta região, será acelerados pelo campo ai existente e passará para a outra região. Esse fluxo é representado na figura3 por I_Deriva. Na figura3, após o equilíbrio, a soma das correntes através da junção é zero.isto é, I_Deriva= I_Difusão .

Figura 3: Junção PN em aberto mostrando as duas correntes (difusão e de deriva)                    

Importante lembrar!! A largura da região de cargas espaciais ou região de depleção aumenta com o aumento da tensão reversa.

Junção PN com Polarização Reversa

Quando for aplicado uma tensão com a polaridade indicada na figura4, a largura da região de depleção aumentará, aumentado a altura da barreira de potencial dificultando mais ainda a passagem dos portadores majoritários de um lado da junção para o outro. A única corrente existente é a corrente devido aos portadores minoritários  os quais dependem unicamente da temperatura, desta forma esta corrente também chamada de corrente reversa de saturação (Is)  só dependerá da temperatura sendo da ordem de nA (Si) ou uA (Ge). Observe que essa corrente é ajudada pelo campo elétrico que se estabelece na região de carga espacial.

    

Figura 4: Junção PN com polarização reversa

Aumentando a tensão direta aplicada a uma junção a largura da região de depleção diminui

Junção PN com Polarização Direta

Quando for aplicado uma tensão com a polaridade indicada na figura5, a largura da região de depleção diminuirá, diminuindo a altura da barreira de potencial facilitando o deslocamento dos portadores majoritários de um lado da junção para o outro. Inicialmente toda a tensão estará aplicada diretamente na região da junção, baixando a barreira de potencial, e  a  queda de tensão no material N e P é  desprezível. A corrente é controlada pela variação da altura da barreira.
A medida que a corrente aumenta, a  tensão externa se distribui entre o material e a barreira. A partir desse ponto a corrente passa a ser controlada pela resistência direta do material (a corrente no  diodo passa a ter um comportamento aproximadamente linear com a tensão). Colocando adequadamente  terminais de contato em ambas as extremidades teremos um componente chamado de diodo de junção. Atenção !! Não foi indicado, mas para limitar a corrente no circuito é necessário colocar em serie com o diodo uma resistência ôhmica, caso contrário a corrente pode aumentar em demasia destruindo o componente por efeito Joule.
A  corrente só  aumentará efetivamente quando  a tensão aplicada entre os terminais exceder aproximadamente de 0,6V a 0,7V( para diodo de Si), é quando a barreira de potencial será vencida.

Figura 5: Junção PN com polarização direta                                                                 

Observe que a corrente total através da junção (I) será constituída de duas componentes, a corrente de saturação mais a corrente de difusão, sendo que a de difusão é muito maior que a de saturação.Desta forma:

I= ID - IS = ID

 A equação da corrente através da junção é dada por:

onde Is é a corrente reversa de saturação,   V é a tensão aplicada na junção, n vale aproximadamente 1 para Ge e 2 para Si e V_T  é uma constante que depende da temperatura valendo 26mV na temperatura ambiente (T=300 Kelvin).

Se V for positivo e muito maior que 26mV, o diodo estará polarizado diretamente e nesse caso a expressão acima se reduz a:

Se V for negativo e muito maior que 26mV (em modulo) o diodo estará polarizado reversamente e  a expressão acima se reduz a:

Curva Característica do Diodo

O gráfico a seguir mostra a corrente em função da tensão aplicada em um diodo de junção para o caso de diodo de silicio (Si)

 

Figura 6: Curva característica de um diodo de Si

Podemos notar que  o gráfico tem 3 regiões:

1. Região de polarização direta: vd > 0

2. Região de polarização reversa: vd<0

3. Região de ruptura: vd <  -VBK

Polarização Direta

Em polarização direta a expressão matemática é:

IS=corrente de saturação = constante para uma dada temperatura

(equação 3)

V_T   é chamada de constante termica

K= constante de Boltzmann

T é a temperatura absoluta (⁰K)

q é o valor da carga do elétron (q=1,6.10^-19C)

Substituindo os valores numericos das contantes na expressão

resultará     VT=25mV na temperatura ambiente (25⁰C)

n=1 para diodos construidos em CI e 2 para diodos  discretos

Para V<0 e  algumas vezes maior do que 25mV a expressão de id será aproximadamente igual a -I_S

Região de Ruptura

V_D <VBK=tensão de ruptura (Breakdown)

Se o diodo consegue dissipar a potencia pode operar nessa região é o caso do Diodo Zener, caso contrario ocorre a destruição do diodo.

Deve ser evitado operar próximo desta região

                        

Veja este vídeo (em inglês) sobre junção PN: http://www.allaboutcircuits.com/videos/52.html

Veja este vídeo (em inglês) sobre manutenção em diodos: http://www.allaboutcircuits.com/videos/53.html

Veja este vídeo (em inglês) sobre diodo de junção: http://www.allaboutcircuits.com/videos/54.html