Fundamentos de Electr

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Fundamentos de Electrónica

• Semicondutores

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Metais

• Os metais possuem uma estrutura química tal que
  os electrões de valência não estão associados a
  um determinado átomo. Pelo contrário estes
  circulam por todo o metal.
• Os electrões de valência dos metais são
  designados de electrões livres e são os
  responsáveis pela corrente eléctrica.

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Semicondutores

• Semicondutores
• Os materiais semicondutores tais como o Germânio
  e o Silício são cristais com quatro electrões de
  valência por átomo.
• Estes associam-se a átomos vizinhos através de
  ligações covalentes em que existe uma partilha de
  electrões entre os átomos.
• Daqui resulta uma orbital de oito electrões, o
  que corresponde a um sistema bastante estável.

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Estrutura de um cristal semicondutor
Átomo de Silício com quatro electrões de valência
Núcleo dos átomos de Silício
Electrões de valência
4
4
4
Ligações covalentes




4
4
4
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Portadores de corrente

• Os electrões de valência partilhados nas ligações
  covalentes ? forte ligação ao núcleo
• Á temperatura ambiente libertam-se electrões das
  ligações e originam electrões livres.
• Para cada electrão livre deve existir uma falha
  na ligação covalente lacuna ou buraco

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Formação de pares electrão lacuna
Temperatura ambiente
Electrão livre

4
4
4




Lacuna ou buraco


4
4
4


Ligações covalentes

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Portadores de corrente

• Electrões livres
• Cargas negativas responsáveis pela geração de
  corrente
• Lacunas
• Falhas nas ligações covalente que são
  equivalentes a cargas positivas.
• O deslocamento de electrões de forma a ocupar a
  lacuna é equivalente à deslocação da lacuna no
  sentido inverso.
• São igualmente responsáveis pela geração de
  corrente

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Resistência

• Resistência á temperatura ambiente
• lt metais
• gtgt isolantes
• Um cubo de Sílicio com um centímetro de lado
  apresenta uma resistividade de 230k?.

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Deslocamento de lacunas
Campo eléctrico
Deslocamento de lacunas
A existência de uma ligação covalente incompleta
torna fácil o deslocamento de um electrão de uma
ligação para outra. Tal provoca o movimento das
lacunas no sentido contrário, ou seja
como, Cargas positivas

4



Deslocamento de electrões
4
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Ionização e recombinação

• Á temperatura ambiente são produzidas pares
  electrões lacunas, devido as colisões entre
  átomos ionização
• Quando um electrão livre se encontra com uma
  lacuna, este preenche a lacuna, eliminando-se
  mutuamente recombinação

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Densidade de portadores

• Dos fenómenos de ionização e recombinação resulta
  que a uma dada temperatura a concentração de
  electrões livres e de lacunas é dada por..

Num cristal de silício (intrínseco) puro temos
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Mecanismos de formação de corrente

• Metais
• Deriva
• Semicondutores
• Deriva
• Movimentação dos electrões livres e das lacunas
  sobe acção de um campo eléctrico
• Difusão
• Movimentação dos electrões livres e das lacunas
  devido a variação de concentração destes. Produz
  uma deslocação das cargas da zona de maior
  concentração para a zona de menor concentração.

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Corrente de difusão
Notar que (relação de Einstein)
p
Concentração de lacunas





x
Corrente de difusão
Densidade de corrente de difusão de lacunas
Carga do electrão
Densidade de corrente de difusão de electrões
livres
Constante de difusão
Densidade de corrente
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Corrente de deriva

• Deslocamento de portadores sobe acção de um campo
  eléctrico
• Lacunas
• electrões

Campo eléctrico
Velocidade de deslocamento das partículas
Mobilidade (dos electrões)
Densidade de corrente de deriva
Daqui resulta
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Semicondutores Dopados

• Introdução de impurezas nos semicondutores altera
  as suas características eléctricas de forma a que
  um dos portadores se torna maioritário.
• Tipo n - introdução de impurezas dadoras que
  fornecem electrões, nomeadamente com cinco
  electrões de valência.
• Tipo p introdução de impurezas receptoras com
  défice de electrões, nomeadamente com três
  electrões de valência.

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Semicondutores Dopados
Semicondutor tipo-n Impurezas com 5 electrões de
valência
4
4
5





Impureza dadora


Electrão livre
4
4
4
Semicondutor tipo-p Impurezas com 3 electrões de
valência
4
4
3
Impureza aceitadora



lacuna



4
4
4
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Densidade de portadores em semicondutores dopados

• Tipo n
• O número de electrões livres é aproximadamente
  igual ao número de átomos de impurezas
  introduzidas.
• Tipo - p
• O número de lacunas é aproximadamente igual ao
  número de átomos de impurezas introduzidas.

Sabe-se que,
donde
donde