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Semicondutores I

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Tópicos: Introdução (alguns conceitos simplificados) | Junção PN (diodo de junção) |

1) Introdução (alguns conceitos simplificados)

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Para que um material conduza eletricidade, é necessário que os elétrons de valência (isto é, os elétrons da camada externa), sob ação de um potencial elétrico aplicado, saltem do nível de energia da valência para um nível superior ou banda de condução. Conforme Figura 1-I (b), em um material condutor quase não existem níveis ou banda de energia proibidos entre a condução e a valência e, portanto, a corrente flui facilmente sob a ação do campo elétrico.


Fig 1-I

Um material isolante apresenta uma banda proibida de grande extensão entre a valência e condução como em (a) da mesma figura. Por isso, dificilmente há condução da corrente. Os semicondutores possuem bandas proibidas com larguras intermediárias, como em (c) da figura. Isso significa que podem apresentar alguma condução, melhor que a dos isolantes mas pior que a dos condutores (bandas ou níveis de energia aqui citados são conceitos da teoria atômica, fora do escopo desta página).

A capacidade de um átomo de se combinar com outros depende do número de elétrons de valência. A combinação só é possível quando este é menor que 8. Elementos com 8 elétrons de valência não se combinam. São estáveis e inertes. Considera-se agora o silício (o semicondutor mais usado), que dispõe de 4 elétrons de valência. No estado puro, cada par de elétrons de átomos distintos forma a chamada ligação covalente, de modo que cada átomo fica no estado mais estável, isto é, com 8 elétrons na camada externa. O resultado é uma estrutura cristalina homogênea conforme Figura 1-II (na realidade é tridimensional. É assim mostrada por questão de simplicidade).


Fig 1-II

Quando certas substâncias, denominadas impurezas, são adicionadas a um semicondutor, as propriedades elétricas são modificadas. Se um elemento como o antimônio, que tem 5 elétrons de valência, for adicionado e alguns átomos dele substituírem o silício na estrutura cristalina, 4 dos 5 elétrons irão se comportar como se fossem os de valência do silício e o excedente será liberado para o nível de condução (Figura 1-II). Nessa situação, o cristal irá conduzir e, devido à carga negativa dos portadores (elétrons), é denominado semicondutor tipo n.


Fig 1-III

Deve-se notar que o material continua eletricamente neutro, pois os átomos têm o mesmo número de prótons e elétrons. Apenas a distribuição de cargas muda, de forma a permitir a condução. Agora a situação inversa conforme Figura 1-IV: uma impureza com 3 elétrons de valência (alumínio, por exemplo) é adicionada.


Fig 1-IV

Alguns átomos de silício irão transferir um elétron de valência para completar a falta no átomo da impureza, criando um buraco positivamente carregado no nível de valência e o cristal será um semicondutor tipo p, devido à carga positiva dos portadores (buracos).


2) Junção PN (diodo de junção)

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No estado normal, o semicondutor é eletricamente neutro, pois os átomos tanto do semicondutor quanto da impureza têm iguais números de elétrons e prótons. Na junção, os elétrons portadores da parte N tendem a ocupar buracos na parte P, deixando esta última com um potencial negativo e a parte N com um potencial positivo, formando a barreira potencial Vo. Assim, a polaridade da barreira de potencial mantém os elétrons na parte N e os buracos na parte P (Figura 2-I A).

Se um potencial externo V > Vo for aplicado conforme Figura 2-I B, o potencial da barreira será quebrado e a corrente será elevada, pois existem muitos elétrons em N. Diz-se então que a junção está diretamente polarizada.


Fig 2-I

No caso da junção inversamente polarizada, Figura 2-I C, o potencial de barreira será aumentado, impedindo ainda mais a passagem de elétrons e a corrente será pequena. Esse conjunto, denominado diodo de junção, funciona como um retificador. Na Figura 2-II, uma curva típica (sem escala) e o seu símbolo elétrico. Nota-se que, acima de um pequeno valor de polarização direta, a corrente aumenta significativamente. A expressão matemática é:

$$I = I_0 \left(\mathrm e^{{e V \over k T}} - 1 \right) \tag{2A}$$
I corrente direta
I0corrente de saturação
ecarga do elétron
Vtensão de polarização direta
kconstante de Boltzmann
Ttemperatura absoluta


Fig 2-II

A polarização inversa tem limite. Acima de um determinado valor ocorre um efeito de ruptura, quebrando a barreira de potencial e a corrente inversa aumenta quase na vertical. Esse fenômeno é usado, por exemplo, em diodos reguladores de tensão (diodos zener).


Fig 2-III

A Figura 2-III mostra a parte inicial da polarização direta de um diodo no qual a concentração de impurezas nas partes P e N é muito grande. Nessa condição, a região efetiva de junção é muito estreita e alguns elétrons podem pular a barreira de potencial, resultando em diminuição da corrente com o aumento da tensão em uma determinada faixa. O fenômeno é denominado efeito túnel e diodos assim construídos são ditos diodos túnel. Diodos túnel são componentes úteis para circuitos osciladores simples e de alta frequência.
Referências
BROPHY, James J. Basic Electronics for Scientists. USA: McGraw-Hill, 1977.
U. S. NAVY. Basic Electronics. Hemus, 1976.
Pesquisa na Internet em 04/2008. Fontes não anotadas.

Topo | Rev: Mar/2018