MATERIAIS SEMICONDUTORES

Níveis de Energia
Valência
Bandas de Energia
Materiais Intrínsecos
Condução Elétrica nos Semicondutores
Semicondutores do Tipo N e P
Aplicações
- - Diodo Semicondutor - Rainer
  - Transistor de Junção Bipolar - Rainer
  - Transistor de Unijunção - Rainer
  - Transistor de Efeito de Campo - Rainer
  - Retificador controlado de silício - Maisa
  - Termistores - Maisa
  - Fotocondutores - Maisa
  - Células Fotovoltaicas - Maisa

Diodo Semicondutor

Alguns materiais apresentam propriedades de condução elétrica intermediárias entre aquelas inerentes aos isolantes e aos condutores. Tais materiais são denominados de semicondutores. Os materiais semicondutores mais simples são constituídos de átomos de um único elemento químico com quatro elétrons na camada de valência. Átomos exibindo esta configuração eletrônica são denominados de átomos tetravalentes.

A Fig.1 ilustra a configuração dos átomos tetravalentes de germânio (Ge) e silício (Si) que dão origem a materiais semicondutores

A Fig.2 mostra uma representação planar do arranjo de átomos tetravalentes em uma rede cristalina, onde cada átomo forma quatro ligações

A dopagem é um processo químico no qual átomos estranhos são introduzidos na estrutura cristalina de uma substância.

Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina do semicondutor uma quantidade de átomos contendo excesso de um elétron de valência relativamente ao número de elétrons da camada mais externa de cada átomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo n.

Quando os átomos introduzidos na estrutura cristalina do semicondutor exibem deficiência de um elétron de valência relativamente ao número de elétrons da camada mais externa de cada átomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo p.

Com respeito à ligação com o quarto átomo de silício, verifica-se a ausência do segundo elétron que comporia o par necessário à formação daquela ligação com o átomo de índio. Essa ausência de elétron de ligação é denominada de lacuna.

O diodo semicondutor é um componente que pode comportar-se como condutor ou isolante elétrico, dependendo da forma como a tensão é aplicada aos seus terminais. Essa característica permite que o diodo semicondutor possa ser utilizado em diversas aplicações, como, por exemplo, na transformação de corrente alternada em corrente contínua.

Um diodo semicondutor é formado a partir da junção entre um semicondutor tipo p e um semicondutor tipo n, conforme ilustrado na Fig. 3. Existem vários processos que permitem a fabricação desse tipo de estrutura e que utilizam técnicas altamente sofisticadas para o controle de crescimento dos cristais semicondutores com os graus de dopagens desejados. A estrutura formada recebe a denominação de junção pn.

Imediatamente após a formação da junção, uma diferença de potencial positiva é gerada entre os lados n e p. Essa barreira de potencial previne a continuação do transporte de portadores através da junção pn não polarizada.

O diodo semicondutor é representado pn em diagramas de circuitos eletrônicos pelo símbolo ilustrado na Fig. 4. O terminal da seta representa o material p, denominado de ânodo do diodo, enquanto o terminal da (Fig. 4 - Representação do diodo.) barra representa o material n, denominado de cátodo do diodo.

A identificação dos terminais do componente real pode aparecer na forma de um símbolo impresso sobre o corpo do componente ou alternativamente, o cátodo do diodo pode ser identificado através de um anel impresso na superfície do componente, conforme ilustrado na Fig. 4.

Polarização direta é uma condição que ocorre quando o lado p é submetido a um potencial positivo relativo ao lado n do diodo.

Quando o diodo está polarizado diretamente, conduzindo corrente elétrica sob a condição V > VB, diz-se que o diodo está em condução.

A Polarização inversa de um diodo ocorre quando o lado n fica submetido a um potencial positivo relativo ao lado p do componente.

Quando o diodo está sob polarização inversa, impedindo o fluxo de corrente através de seus terminais, diz-se que o diodo está em bloqueio ou na condição de corte.

Um diodo ideal, polarizado diretamente, deve conduzir corrente elétrica sem apresentar resistência, comportando-se como um interruptor fechado, como ilustrado na figura 5. O interruptor fechado é, portanto, o circuito equivalente para o diodo ideal em condução.
Polarizado inversamente, o diodo semicondutor ideal deve comportar-se como um isolante perfeito, impedindo completamente o fluxo de corrente, portanto assemelha-se ao interruptor aberto. Como ilustrado na figura 5 é, portanto, o circuito equivalente para o diodo ideal na condição de corte.

Assim, um modelo mais aprimorado para o circuito equivalente do diodo em condução pode ser obtido pela associação série de um resistor Rc, representativo da resistência direta de condução, com uma fonte de tensão VB correspondente ao valor da barreira de potencial na junção, como mostrado na Fig. 6.

Efeitos associados à temperatura e a absorção de fótons nas proximidades da junção de um diodo, possibilitam a geração de uma pequena quantidade de portadores minoritários, ou mais precisamente, lacunas no lado n e elétrons livres no lado p. Conseqüentemente, sempre existe uma corrente de fuga, quando o diodo é inversamente polarizado, correspondendo à passagem de portadores minoritários através da junção. Essa corrente de fuga é geralmente da ordem de alguns microampères, o que indica que a resistência da junção inversamente polarizada pode chegar a vários megahoms.

Transistor de Junção Bipolar

No estudo de diodo, analisamos uma junção PN. Para o transistor, estudaremos duas junções.Para cada junção do transistor, existirá uma barreira de potencial.

Temos 02 (dois) tipos de transistores, NPN e PNP, apresentando 03 (três) terminais: o emissor, a base e o coletor, e duas junções: junção base-emissor e a junção base-coletor, conforme a figura abaixo. Neste caso, o emissor composto de um material tipo N, tem a função de emitir elétrons. O coletor, que também é de material tipo N, coleta os elétrons. A base, formada por material tipo P, é a parte comum.

No transistor, a junção base-emissor é polarizada diretamente, e a junção base-coletor é polarizada inversamente, independente do tipo NPN ou PNP. Como sabemos, ao polarizar uma junção PN diretamente, teremos uma redução na barreira de potencial e uma resistência de pequeno valor. Ao polarizar inversamente a junção PN, teremos um aumento na barreira de potencial e uma resistência de valor elevado.

Curvas características do transistor As curvas características do transistor estabelecem relações entre entrada e saída para cada configuração, sendo a mais utilizada a configuração emissor comum. As curvas são de grande importância para conseguirmos o ponto de ótimo funcionamento do transistor, de acordo com o projeto adotado.

Características VCE x IC

Fornece-nos a característica de saída do transistor na configuração emissor comum, sendo IB constante para cada variação de VCE e IC

O Transistor trouxe muito desenvolvimento para a área da informática, sem ele, os processadores teriam uma capacidade muito pequena em relação ao tempo da codificação e decodificação dos dados, sem falar na reduzida vida útil dos componentes das válvulas, que desempenhavam a função dos transistores antigamente.

A imagem a seguir nos fornece uma visão sobre o quanto se estudou e foi possível aprimorar as técnicas e tecnologias no que se diz respeito aos transistores. A Primeira trata-se do Primeiro Transistor feito, e a última, de um dos projetos mais recentes da Intel em relação a estes componentes.

Transistor de Unijunção

Um dos dispositivos semicondutores já há muito tempo em utilização é o transistor Unijunção (UJT). O UJT é um dispositivo de três terminais que, no entanto, tem apenas uma junção PN. Ele é usado como elemento ativo de um circuito oscilador.

O UJT é constituída por uma barra de silício tipo N com ligações elétricas em ambas as extremidades, além de um fio de alumínio ligado a um ponto ao longo do comprimento da barra de silício. No ponto de ligação, o alumínio cria uma região de tipo P na barra de silício, formando assim uma junção PN. Porque só há uma junção, não é razoável utilizar o termos ânodo ou cátodo, assim a ligação do tipo P é conhecido como o "emissor", enquanto que as duas conexões do tipo N são designados "Base 1" e "Base 2".

Em uso, uma tensão de polarização adequada é aplicada entre as duas bases, com a B2 feita positiva em relação a B1. Como a barra do tipo N é resistiva, uma corrente relativamente pequena irá fluir através dele, e a tensão aplicada será distribuída uniformemente ao longo do seu comprimento.

Os transistores de Unijunção podem ser aplicados em diversos aparelhos elétricos, com função de temporizadores, geradores de pulsos ou em circuitos osciladores.

Transistor de Efeito de Campo

O transistor de efeito de campo (FET) tem o princípio de funcionamento diferente do transistor bipolar. É um dispositivo sensível à tensão, com impedância de entrada elevada, e impedância de saída relativamente alta. O FET é utilizado tanto nos circuitos analógicos como nos digitais, como amplificador ou chave. Existem dois tipos básicos de FET: o FET de junção e o MOSFET de metal óxido semicondutor.

Fet de Junção

O FET de junção consiste em uma fina camada de material tipo n ou tipo p com dois contatos ôhmicos, a fonte (S) e o dreno (D), e dois contatos retificadores interligados denominados portas (G). Os elétrons livres entram na fonte e saem do dreno (Canal N). A camada condutora entre a fonte e o dreno é chamada de canal. O FET pode ser do tipo n, no qual o canal é do tipo n e as portas são do tipo p; ou do tipo p, sendo o canal tipo p e as portas tipo n.

Mosfet

O MOSFET é de fabricação simples e ocupa menos espaço. Desta maneira, são amplamente utilizados para integração em larga escala (LSI).
Em uma parte da faixa de operação dos MOSFET, eles atuam como elementos resistivos controlados por tensão e ocupam área muito menor que o resistor de CI correspondente.
Apresenta alta impedância de entrada (até 1014Ω). Isto significa que a constante de tempo do circuito de entrada é bastante grande para possibilitar que a carga armazenada na pequena capacitância de entrada permaneça por tempo suficiente para que o dispositivo seja utilizável como elemento de memória em circuitos digitais.
Possui capacidade de dissipar potências elevadas e comutar grandes correntes em alguns nanossegundos.
É menos ruidoso do que um transistor bipolar, e, portanto mais adequando para estágios de entrada de amplificadores de baixo nível (é extensivamente usado em receptores FM de alta fidelidade).
Os MOSFETS quando utilizados na configuração complementar CMOS, a dissipação de potência quiescente é essencialmente nula em baixas frequências.

Resumo e Destaque para os Materiais

Tanto os diodos quanto os transistores são compostos por Átomos Tetravalentes, ou seja, da família do Carbono. Os mais comuns de serem encontrados nestes componentes eletrônicos são: O Silício e o Germânio. Que são Materiais Semicondutores.

Estes Materiais, quando Submetidos ao Processo de Dopagem, que consiste na inserção de átomos de outros materiais entre os átomos tetravalentes. Átomos da família do Boro, dão origem aos semicondutores do tipo P. Já os Átomos da Família do Nitrogênio, dão origem aos Semicondutores do tipo N. (P = positivo/falta de elétrons, N = negativo/excesso de elétrons)

Quando é feita a Junção dos dois tipos de Semicondutores, e essa junção é submetida à passagem de corrente, forma-se a polarização do material. De acordo com o sentido da corrente, dá-se a polarização do material.

Polarização Direta: P no positivo e N no negativo. Nesta condição, o diodo conduz corrente naturalmente, no caso deste ser ideal, a resistência é nula.
Polarização Inversa: N no Positivo e P no negativo. Submetido a esta configuração, o diodo age como um Resistor de elevada impedância, assim podemos interpretá-lo como um circuito aberto, no caso ideal.

O Diodo funciona com este princípio básico, que por sua vez é também o princípio do Transistor.

O transistor tem 3 terminais, sendo a Base, o Coletor, e o Emissor. Podemos interpretar o Transistor como sendo dois diodos, um da Base para o Emissor, e o outra da Base para o Coletor, ambos com o Negativo na Base.

Cada transistor pode ter uma função, normalmente os transistores de junção Bipolar são usados como amplificadores de sinal ou como interruptores para lógica de informática. Que abusa deste dispositivo e depende dele para melhorar sua capacidade de processamento.

Existem outros tipo de transistores também, tais como o de Unijunção e o de Efeito de Campo.

O de Unijunção é composto por um material semicondutor do tipo N ligado a um fio de Alumínio. Normalmente, este tipo de Transistor é utilizado em Osciladores.

O de Efeito de Campo é composto pelos mesmos materiais, com a diferença que a confecção é bem mais simples. normalmente é utilizado como amplificador ou chave.

Curiosidades

O transistor revolucionou a informática e detém o título de único componente eletrônico a ser digno de um prêmio Nobel.

Pesquisadores da Unicamp desenvolveram pela primeira vez no Brasil, com apoio de colegas da USP, um Transistor FinFET, mais popularmente conhecido como 3D. O dispositivo, que ainda está em fase de protótipo, proporciona maior capacidade de processamento e de memória para equipamentos eletrônicos, como tablets, notebooks, televisores etc. “A diferença fundamental entre um transistor planar e um 3D é que no primeiro a corrente é transmitida através de um plano da superfície do silício somente, enquanto no segundo a corrente passa por três planos, um da superfície e dois das paredes verticais, aumentando o desempenho, em tese, em três vezes”.

Novo diodo considerado Ideal:

Ao contrário dos diodos convencionais, o novo diodo de nanotubos de carbono consegue desempenhar múltiplas funções - como um diodo e dois tipos diferentes de transistores - o que o torna capaz tanto de emitir quanto de detectar luz.É justamente a qualidade dessa junção que responde pela eficiência do componente. O novo diodo de nanotubo tem a máxima eficiência teoricamente possível.

No "diodo perfeito", as duas regiões - p e n - são formadas por meio de uma técnica de dopagem eletrostática, que utiliza duas portas separadas, que se acoplam às duas extremidades de um único nanotubo de carbono. Aplicando-se uma voltagem negativa a uma das portas e uma voltagem positiva à outra, forma-se então a junção p-n.

Retificador Controlado de Silício

O Retificador Controlado de Silício, mais conhecido como SCR, é um componente eletrônico semicondutor da família dos tiristores (o nome tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores que operam em regime chaveado, tendo em comum uma estrutura de quatro camadas semi-condutoras numa sequência p-n-p-n, apresentando um funcionamento biestável.).

O SCR é um dispositivo de três terminais, chamados de ânodo (A), cátodo (K) e gatilho (G), como mostra a figura a seguir:

Vemos a seguir o aspecto físico mais comum do SCR de potência. A figura mostra o ânodo sendo o terminal rosqueado e dois rabichos: o cátodo, mais grosso, e o gatilho, mais fino.

Podemos considerar o SCR um diodo controlado pelo terminal de gatilho. No SCR, apesar da tensão ser positiva, o mesmo ainda permanece bloqueado (corrente nula). Só quando for aplicado um pulso de gatilho, é que o SCR passará a conduzir corrente, comportando-se como um curto-circuito.

Métodos de acionamento

O nível mínimo de tensão e corrente necessário para o disparo do SCR é uma função da temperatura da junção. De maneira genérica, quanto menor a temperatura de junção, maior será a corrente e menor será a tensão necessária ao gatilhamento. A corrente e tensão de gatilho estão sujeitas a um valor máximo, mas no disparo devem ultrapassar um valor mínimo. O produto entre a tensão e corrente de gatilho dá um nível de potência para o qual um máximo é estabelecido.

Além da aplicação do pulso de gatilho, o SCR pode ser disparado de outras formas, são eles: disparo por sobretensão, disparo por variação de tensão, entre outros. Normalmente, esses disparos são indesejados, pois, em alguns casos, podem destruir o dispositivo.

Métodos de bloqueio

Bloquear ou comutar um SCR, significa cortar a corrente que ele conduz e impedir que ele retome a condução. Ou seja, o bloqueio estará completo, quando a corrente no sentido direto for anulada e a reaplicação de tensão direta, entre ânodo e cátodo, não provocar o retorno do SCR ao estado de condução.

1) Bloqueio natural

Quando se reduz a corrente de ânodo a um valor abaixo de IH, chamada de corrente de manutenção (holding current), o SCR é bloqueado. A corrente de manutenção tem um valor baixo, normalmente cerca de 1000 vezes menor do que a corrente nominal do dispositivo. Em circuito de corrente alternada, em algum momento a corrente passa pelo zero da rede, levando o SCR ao bloqueio.

Exemplo: Bloqueio pelo Zero da Rede

2) Bloqueio Forçado

Em vez de aguardar a passagem de corrente pelo zero da rede para bloquear um SCR, pode-se ainda fazer o bloqueio através de dois meios: diminuir o fluxo de corrente direta para um valor abaixo de IH ou aplicar tensão reversa.

Termistores

Os sensores baseados em resistências dependentes da temperatura são disponíveis em dois tipos, de acordo com o comportamento elétrico do material. O termistor é um desses tipos, no qual utiliza-se de compostos semicondutores. O outro tipo é a termorresistência, no qual é fabricada com metais.

Os termistores, são resistências elétricas sensíveis à variação de temperatura. Enquanto a termorresistência de platina é mais estável e linear, o termistor é o termosensor mais sensível por causa do seu elevado coeficiente de temperatura.

Os termistores são produzidos com óxidos semicondutores. A maioria dos termistores tem coeficiente de temperatura negativo, também são conhecidos como termistores NTC, mas termistores com coeficiente de temperatura positivo (PTC) também são disponíveis.

Termistor NTC (do inglês Negative Temperature Coefficient) são termístores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é negativo: a resistência diminui com o aumento da temperatura.

Termistores PTC (do inglês Positive Temperature Coefficient) são termístores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é positivo: a resistência aumenta com o aumento da temperatura.

Os termistores NTC possuem uma sensibilidade muito elevada, permitindo que circuitos com termistores possam detectar variações ínfimas da temperatura. O preço a pagar pela elevada sensibilidade dos termistores é a não-linearidade da curva de resistência em função da temperatura.

Como a sensibilidade é fortemente dependente do processo de fabricação, não existem termistores padronizados, tais como os sensores de platina e os termopares. Cada termistor deve ser calibrado de acordo com a equação de Steinhart-Hart:

Uma das formas de se reduzir a não-linearidade da resistência em função da temperatura é conectando-se um resistor de linearização em paralelo ao termistor.

Fotocondutores

Os detectores fotocondutores são diretamente baseados em semicondutores, e neles os fótons são absorvidos pelo material semicondutor, produzindo pares elétron-buraco, que são separados por um campo elétrico. Esses detectores utilizam o efeito fotoelétrico (interno), onde a energia dos fótons é alta o suficiente para levar os elétrons para a banda de condução do material semicondutor.

O fotocondutor é essencialmente um resistor sensível à radiação. O esquema de operação de um fotocondutor pode ser visto na figura abaoxo.

Um fóton de energia h maior que o gap de energia da banda é absorvido para produzir um par elétron-buraco, alterando consequentemente a condutividade elétrica do semicondutor. Quase sempre, a mudança na condutividade é medida por meio de eletrodos fixados no semicondutor. Para um material com baixa resistência, o fotocondutor é normalmente operado em um circuito de corrente constante. Estes fotocondutores utilizam, geralmente, uma junção p-n composta por dois semicondutores que são escolhidos em função das características que o detector deverá possuir.

Exemplos são os fotocondutores compostos por junções de GaAs, GaN e AlGaN, que são largamente utilizados em diversas aplicações

Células Fotovoltaicas

Células fotovoltaicas são dispositivos capazes de transformar a energia luminosa, proveniente do Sol ou de outra fonte de luz, em energia elétrica. Uma célula fotoelétrica pode funcionar como geradora de energia elétrica a partir da luz, ou como um sensor capaz de medir a intensidade luminosa.

Células geradoras de energia são chamadas também de "células solares", por se aproveitarem principalmente da luz solar para gerar energia elétrica. Atualmente, as células solares comerciais ainda apresentam uma baixa eficiência de conversão, da ordem de 16%. Existem células fotovoltaicas com eficiências de até 28%, fabricadas com arsenieto de gálio, mas o seu custo elevado limita a produção destas células solares ao uso na indústria espacial.

Por não gerar nenhum tipo de resíduo, a célula solar é considerada uma forma de produção de energia limpa, sendo alvo de estudos em diversos institutos de pesquisa, um pouco por todo o mundo. A luz solar produz até 1.000 Watts de energia por metro quadrado, o que representa um enorme potencial energético.

Como Surgiram?

O efeito fotovoltaico foi descoberto pela primeira vez em 1839 por Edmond Becquerel. Entretanto, só após 1883 que as primeiras células fotoelétricas foram construídas, por Charles Fritts, que cobriu o Selénio semicondutor com uma camada extremamente fina de ouro de forma a formar junções.

Ao conjunto de células fotoelétricas chama-se Placa Fotovoltaica cujo uso hoje é bastante comum em lugares afastados da rede elétrica convencional. Existem placas de várias potências e tensões diferentes para os mais diversos usos.

Tipo de Células Fotovoltaicas

A primeira geração fotovoltaica consiste numa camada única e de grande superfície p-n díodo de junção (estrutura fundamental dos componentes eletrônicos comumente denominados semicondutores), capaz de gerar energia eléctrica utilizável a partir de fontes de luz com os comprimentos de onda da luz solar. Estas células são normalmente feitas utilizando placas de silício.

A segunda geração de materiais fotovoltaicos está baseada no uso de películas finas de depósitos de semicondutores. A vantagem de utilizar estas películas é a de reduzir a quantidade de materiais necessários para produzi-las, bem como de custos.

A terceira geração fotovoltaica é muito diferente das duas anteriores, definida por utilizar semicondutores que dependam da junção p-n para separar partículas carregadas por fotogestão. Estes novos dispositivos incluem células fotoeletroquímicas e células de nanocristais.

Curiosidade: http://www.youtube.com/watch?v=-km-B0Zsy_M

Resumo e Destaque para os Materiais

O Retificador Controlado de Silício é um componente eletrônico semicondutor que é utilizado como um diodo (conduz corrente em apenas um sentido), porém só conduz quando é aplicado um pulso no eletrodo de controle. Como o próprio nome já diz, é feio de silício que é o principal componente dos materiais semicondutores.

O Termistor é um semicondutor sensível à temperatura, e é dividido em dois tipos: NTC são termístores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é negativo: a resistência diminui com o aumento da temperatura; e o PTC são termístores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é positivo: a resistência aumenta com o aumento da temperatura. Eles são feitos de compostos semicondutores, como os óxidos de ferro, magnésio e cromo.

Os fotocondutores são os materiais que apresentam maior condutividade quando expostos a uma fonte de luz. Eles são feitos de material semicondutor, como o selênio, o germânio ou o silicone.

As Células fotovoltaicas são dispositivos capazes de transformar a energia luminosa, proveniente do Sol ou de outra fonte de luz, em energia elétrica. Em sua grande maioria, são feitos usando o silício, mas podem ser constituídas através de cristais monocristalinos, policristalinos ou de silício amorfo.