Eletrônica Básica - Semicondutores

UMA semiconductoré uma substância cuja resistividade está entre os condutores e isoladores. A propriedade de resistividade não é a única que decide um material como semicondutor, mas tem poucas propriedades como segue.

Os semicondutores têm resistividade menor que os isolantes e maior que os condutores.
Os semicondutores têm coeficiente de temperatura negativo. A resistência em semicondutores, aumenta com a diminuição da temperatura e vice-versa.
As propriedades condutoras de um semicondutor mudam, quando uma impureza metálica adequada é adicionada a ele, o que é uma propriedade muito importante.

Dispositivos semicondutores são amplamente usados no campo da eletrônica. O transistor substituiu os volumosos tubos de vácuo, dos quais o tamanho e o custo dos dispositivos diminuíram e essa revolução continuou aumentando seu ritmo, levando a novas invenções como a eletrônica integrada. A ilustração a seguir mostra a classificação dos semicondutores.

Condução em semicondutores

Depois de ter algum conhecimento sobre os elétrons, descobrimos que a camada mais externa tem o valence electronsque estão frouxamente presos ao núcleo. Tal átomo, tendo elétrons de valência quando trazidos para perto do outro átomo, os elétrons de valência de ambos os átomos se combinam para formar "Electron pairs”. Esta ligação não é tão forte e, portanto, é umCovalent bond.

Por exemplo, um átomo de germânio tem 32 elétrons. 2 elétrons na primeira órbita, 8 na segunda órbita, 18 na terceira órbita, enquanto 4 na última órbita. Esses 4 elétrons são elétrons de valência do átomo de germânio. Esses elétrons tendem a se combinar com os elétrons de valência de átomos adjacentes, para formar os pares de elétrons, conforme mostrado na figura a seguir.

Criação de Buraco

Devido à energia térmica fornecida ao cristal, alguns elétrons tendem a se mover para fora de seu lugar e quebrar as ligações covalentes. Essas ligações covalentes rompidas resultam em elétrons livres que vagam aleatoriamente. Mas omoved away electrons cria um espaço vazio ou valência atrás, que é chamado de hole.

Este buraco que representa um elétron ausente pode ser considerado como uma carga positiva unitária, enquanto o elétron é considerado uma carga negativa unitária. Os elétrons liberados se movem aleatoriamente, mas quando algum campo elétrico externo é aplicado, esses elétrons se movem na direção oposta ao campo aplicado. Mas os buracos criados devido à ausência de elétrons, movem-se na direção do campo aplicado.

Corrente de Furo

Já se sabe que quando uma ligação covalente é quebrada, um buraco é criado. Na verdade, há uma forte tendência do cristal semicondutor de formar uma ligação covalente. Então, um buraco não tende a existir em um cristal. Isso pode ser melhor compreendido pela figura a seguir, que mostra uma estrutura de cristal semicondutor.

Um elétron, quando é deslocado de um lugar A, um buraco é formado. Devido à tendência para a formação de ligação covalente, um elétron de B é deslocado para A. Agora, novamente para equilibrar a ligação covalente em B, um elétron é deslocado de C para B. Isso continua a construir um caminho. Este movimento do furo na ausência de um campo aplicado é aleatório. Mas quando o campo elétrico é aplicado, o buraco se desloca ao longo do campo aplicado, o que constitui ohole current. Isso é chamado de corrente de buraco, mas não de corrente de elétrons porque o movimento dos buracos contribui para o fluxo de corrente.

Elétrons e lacunas, enquanto em movimento aleatório, podem se encontrar, para formar pares. Essa recombinação resulta na liberação de calor, que quebra outra ligação covalente. Quando a temperatura aumenta, a taxa de geração de elétrons e buracos aumenta, assim a taxa de recombinação aumenta, o que resulta no aumento das densidades de elétrons e buracos. Como resultado, a condutividade do semicondutor aumenta e a resistividade diminui, o que significa o coeficiente de temperatura negativo.

Semicondutores intrínsecos

Um semicondutor em sua forma extremamente pura é considerado um intrinsic semiconductor. As propriedades deste semicondutor puro são as seguintes -

Os elétrons e lacunas são criados exclusivamente por excitação térmica.
O número de elétrons livres é igual ao número de lacunas.
A capacidade de condução é pequena à temperatura ambiente.

Para aumentar a capacidade de condução do semicondutor intrínseco, é melhor adicionar algumas impurezas. Este processo de adição de impurezas é chamado deDoping. Agora, esse semicondutor intrínseco dopado é chamado de semicondutor extrínseco.

Doping

O processo de adição de impurezas aos materiais semicondutores é denominado dopagem. As impurezas adicionadas são geralmente impurezas pentavalentes e trivalentes.

Pentavalent Impurities

o pentavalentimpurezas são aquelas que têm cinco elétrons de valência na órbita mais externa. Exemplo: bismuto, antimônio, arsênico, fósforo
O átomo pentavalente é chamado de donor atom porque doa um elétron para a banda de condução do átomo semicondutor puro.

Trivalent Impurities

o trivalentimpurezas são aquelas que têm três elétrons de valência na órbita mais externa. Exemplo: Gálio, Índio, Alumínio, Boro
O átomo trivalente é chamado de acceptor atom porque aceita um elétron do átomo semicondutor.

Semicondutor Extrínseco

Um semicondutor impuro, que é formado por dopagem de um semicondutor puro é chamado de extrinsic semiconductor. Existem dois tipos de semicondutores extrínsecos, dependendo do tipo de impureza adicionada. Eles são semicondutores extrínsecos do tipo N e semicondutores extrínsecos do tipo P.

Semicondutor extrínseco tipo N

Uma pequena quantidade de impureza pentavalente é adicionada a um semicondutor puro para resultar em um semicondutor extrínseco Ntype. A impureza adicionada tem 5 elétrons de valência.

Por exemplo, se o átomo de arsênio é adicionado ao átomo de germânio, quatro dos elétrons de valência se ligam aos átomos de Ge, enquanto um elétron permanece como um elétron livre. Isso é mostrado na figura a seguir.

Todos esses elétrons livres constituem a corrente de elétrons. Conseqüentemente, a impureza, quando adicionada ao semicondutor puro, fornece elétrons para a condução.

No semicondutor extrínseco do tipo N, como a condução ocorre através dos elétrons, os elétrons são portadores majoritários e os buracos são portadores minoritários.
Como não há adição de cargas positivas ou negativas, os elétrons são eletricamente neutros.
Quando um campo elétrico é aplicado a um semicondutor do tipo N, ao qual uma impureza pentavalente é adicionada, os elétrons livres viajam em direção ao eletrodo positivo. Isso é chamado de condutividade negativa ou tipo N.

Semicondutor extrínseco tipo P

Uma pequena quantidade de impureza trivalente é adicionada a um semicondutor puro para resultar em um semicondutor extrínseco do tipo P. A impureza adicionada tem 3 elétrons de valência. Por exemplo, se o átomo de boro é adicionado ao átomo de germânio, três dos elétrons de valência se ligam aos átomos de Ge, para formar três ligações covalentes. Porém, mais um elétron no germânio permanece sem formar nenhuma ligação. Como não há elétron remanescente no boro para formar uma ligação covalente, o espaço é tratado como um buraco. Isso é mostrado na figura a seguir.

A impureza de boro quando adicionada em pequena quantidade, proporciona uma série de orifícios que auxiliam na condução. Todos esses furos constituem a corrente do furo.

No semicondutor extrínseco do tipo P, como a condução ocorre através de orifícios, os orifícios são portadores majoritários, enquanto os elétrons são portadores minoritários.
A impureza adicionada aqui fornece orifícios que são chamados de acceptors, porque eles aceitam elétrons dos átomos de germânio.
Como o número de orifícios móveis permanece igual ao número de aceitadores, o semicondutor Ptype permanece eletricamente neutro.
Quando um campo elétrico é aplicado a um semicondutor do tipo P, ao qual uma impureza trivalente é adicionada, os buracos viajam em direção ao eletrodo negativo, mas com um ritmo mais lento do que os elétrons. Isso é chamado de condutividade do tipo P.
Nessa condutividade do tipo P, os elétrons de valência se movem de uma ligação covalente para outra, ao contrário do tipo N.

Por que o silício é preferido em semicondutores?

Entre os materiais semicondutores como germânio e silício, o material amplamente utilizado para a fabricação de vários componentes eletrônicos é Silicon (Si). O silício é preferido ao germânio por muitas razões, como -

O gap de energia é 0,7ev, enquanto é 0,2ev para o germânio.
A geração do par térmico é menor.
A formação da camada de SiO2 é fácil para o silício, o que auxilia na fabricação de muitos componentes junto com a tecnologia de integração.
Si é facilmente encontrado na natureza do que Ge.
O ruído é menor em componentes feitos de Si do que em Ge.

Conseqüentemente, o silício é usado na fabricação de muitos componentes eletrônicos, que são usados para fazer diferentes circuitos para diversos fins. Esses componentes têm propriedades individuais e usos específicos.

Os principais componentes eletrônicos incluem - resistores, resistores variáveis, capacitores, capacitores variáveis, indutores, diodos, diodos túnel, diodos varator, transistores, BJTs, UJTs, FETs, MOSFETs, LDR, LED, células solares, termistor, varistor, transformador, interruptores , relés, etc.