SEMICONDUTOR INTRINSECO E EXTRINSECO

1. SEMICONDUTOR INTRINSECO E EXTRINSECO

2. SEMICONDUTOR INTRINSECO Trata-se de um cristal de material semicondutor com elevadíssimo grau de pureza sendo seu principal representante o Silicio. Em peso o silício representa mais da quarta parte da crosta terrestre e é o segundo elemento mais abundante perdendo apenas para o oxigênio. O silício não é encontrado no estado nativo mas na forma de óxido; o quartzo, ametista, ágata, sílex, opala e jaspe são alguns materiais naturais que apresentam na sua composição o óxidode Silicio. É encontrado tambem, entre outros, no granito, feldspato, argila e mica formandosilicatos Ametista, variedade do quartzo, que é formado por óxido de silício

3. SILICIO METALURGICO O silício comercial é obtido a partir da sílica de alta pureza em fornos de arco elétrico reduzindo o óxido com eletrodos de carbono numa temperatura superior a 1900 °C O silício líquido se acumula no fundo do forno onde é extraído e resfriado. O silício produzido por este processo é denominado metalúrgico apresentando um grau de pureza superior a 99%. Silício com 99% de pureza

4. SILICIO ULTRA PURO Para a construção de dispositivos semicondutores é necessário um silício de maior pureza, silício ultrapuro, que pode ser obtido por métodos físicos . Os métodos físicos de purificação do silício metalúrgico se baseiam na maior solubilidade das impurezas contidas no silício líquido, de forma que este se concentre nas últimas zonas solidificadas. A fusão por zonasconsiste em fundir a extremidade de uma barra de silício e depois deslocar lentamente o foco de calor ao longo da barra, de modo que o silício vai se solidificando com uma pureza maior devido ao arrasto na zona fundida de grande parte das impurezas. O processo pode ser repetido várias vezes até se obter a pureza desejada cortando-se, então, o extremo final onde se acumulou as impurezas.

5. CONDUTIVIDADE NO SEMICONDUTOR INTRINSECO No semicondutor intrínseco a energia elétrica é transportada pela movimentação dos elétrons e das lacunas geradas aos pares pelo fornecimento de energia ao cristal Sua condutividade pode ser calculada pela expressão: σ= n. . q + p . onde n é a concentração de elétrons livres é a mobilidade dos elétrons livres p é a concentração de lacunas é a mobilidade das lacunas q é a carga do elétron igual a da lacuna Como elétrons e lacunas são gerados aos pares teremos n = p = denominada “ concentração intrínseca de portadores “ cujo valor depende da quantidade de energia térmica ou luminosa fornecida ao cristal. Nesse caso a equação da condutividade fica simplificada σ = . q .( + )

6. DADOS DO SILICIO E DO GERMANIO

8. EXERCICIOS 1 – Determinar a resistividade de um cristal de Silício submetido a uma temperatura de 50º C , supondo a mobilidade dos elétrons e lacunas as mesmas para 27º C . 2 – Resolver o exercício anterior caso o cristal seja de Germânio 3 – Determinar a resistência do componente abaixo sendo o cristal de Silício mantido a 27º C. comprimento = 10 cm espessura = 1 4 – Repetir o exercício anterior caso a temperatura se eleve para 80º C.

9. SEMICONDUTOR EXTRINSECO O semicondutor extrínseco é obtido introduzindo-se átomos de impureza trivalentes ou pentavalentes nos cristais de Silício com elevado grau de pureza. O número de átomos dopantes necessários para modificar a capacidade de condução de um semicondutor é muito pequeno. Quando a contaminação é da escala de um átomo de impureza por cada 100 milhões de átomos de Silício, a dopagem é baixa( leve ). Se a proporção for de um átomo de impureza por dezenas de milhares de átomos de Silício, então a dopagem alta (pesada.) A dopagem em áreas selecionadas é feita por um processo de difusão ou de implantação de íons, que são normalmente controladas por fotolitografia. A implantação de íons é mais popular na produção de grande escala por ser mais fácil de controlar.

10. EXTRINSECO TIPO N A substituição de um átomo de Silício tetravalente por um de Fosforo pentavalente faz com que o quinto elétron de valência do átomo de Fosforo se torne livre dentro da rede cristalina Num semicondutor extrínseco do tipo N os electrons introduzidos pela dopagem estão em maioria sendo designados de “portadores majoritários da corrente elétrica”. As lacunas produzidas por quebra da ligação covalente estão em minoria sendo designada de “portadores minoritários da corrente elétrica”.

11. EXTRINSECO TIPO P A substituição de um átomo de Silício tetravalente por um de Boro trivalente faz com que uma ligação covalente fique incompleta produzindo assim uma lacuna na rede cristalina Num semicondutor extrínseco do tipo P as lacunas introduzidas pela dopagem estão em maioria sendo designandas de “portadores majoritários da corrente elétrica”. Os electrons produzidos por quebra das ligações covalentes estão em minoria sendo designados de “portadores minoritários da corrente elétrica”.

12. CONDUTIVIDADE DO EXTRINSECO TIPO N No semicondutor extrínseco tipo N fortemente dopado a concentração de elétrons livres é igual à concentração da impureza dopante doadora calculado usando a massa do material usado na dopagem,sua massa atômica, o volume do cristal intrínseco do semicondutor e o número de Avogadro. No exemplo abaixo foram acrescentadas 10 microgramas de Fósforo pentavalente em um cristal de Silício de volume 0,1 Número de Avogadro = 6,023 x átomos/átomo grama Massa Atômica do Fósforo = 30,97 30,97 gramas de Fósforo >>>>6,02 x átomos de Fósforo 10 μgramas de Fósforo >>>> N átomos de Fosforo 1,94 x / 0,1 átomos de Fósforo / livres/

13. EXERCICIOS 5 – Determinar a resistência do componente abaixo sendo o cristal de Silício mantido a 45º C. Determinar o novo valor de sua resistência caso ele seja dopado com 20 microgramas de Arsênico, com peso atômico 74,92. comprimento = 10 cm espessura = 1 6 – Resolver o exercício anterior caso a temperatura do cristal se eleve para 80º C

14. CONDUTIVIDADE DO EXTRINSECO TIPO P No semicondutor extrínseco tipo P fortemente dopado a concentração de lacunas é igual à concentração da impureza dopante calculado usando a massa do material usado na dopagem,sua massa atômica, o volume do cristal intrínseco do semicondutor e o número de Avogadro. No exemplo abaixo foram acrescentadas 5 microgramas de Boro trivalente em um cristal de Silício de volume 0,1 Número de Avogadro = 6,023 x átomos/átomo grama Massa Atômica do Boro = 10,82 10,82 gramas de Boro >>>>6,02 x átomos de Boro 5μgramas de Boro >>>> N átomos de Boro 2,78 x / 0,1 átomos de Boro /

15. EXERCICIOS 7 – Determinar a resistência do componente abaixo sendo o cristal de Germânio mantido a 45º C. Determinar o novo valor de sua resistência caso ele seja dopado com 10 microgramas de Boro, com peso atômico 10,82 comprimento = 10 cm espessura = 1 8 – Resolver o exercício anterior caso a temperatura do cristal se eleve para 80º C