Semicondutores

Fonte: Derek Wilson, Asantha Cooray, PhD, Departamento de Física & Astronomia, Escola de Ciências Físicas, Universidade da Califórnia, Irvine, CA

Semicondutores são materiais cuja capacidade de conduzir uma corrente elétrica depende fortemente de sua temperatura e nível de impureza. O tipo mais comum de material semicondutor é o silício cristalino. A maioria dos semicondutores puros não são condutores excelentes; para melhorar a condutividade, um semicondutor puro é muitas vezes combinado ou "dopado" com uma impureza. Essas impurezas são doadores, como fósforo e arsênico, que doam elétrons para o silício, ou aceitadores, como boro e alumínio, que roubam elétrons do silício. Quando os aceitadores tiram elétrons do silício, eles deixam regiões de carga positiva chamadas "buracos" que efetivamente se comportam como elétrons carregados positivamente.

Um semicondutor do tipo P é formado quando o doping faz buracos que são o portador de carga dominante no material. Um semicondutor do tipo N é formado quando um semicondutor é dopado de tal forma que o portador de carga dominante é o elétron. Como se pode esperar, uma junção p-n é formada na fronteira entre o semicondutor do tipo p e o semicondutor do tipo n. A interação de elétrons e buracos na junção dá origem ao comportamento notável visto em componentes de circuito, como diodos e transistores. Este laboratório explorará as propriedades de uma única junção p-n na forma de um diodo semicondutor.

Na junção entre os materiais do tipo p e n, os elétrons das impurezas do doador no semicondutor do tipo N combinam-se com os orifícios do semicondutor do tipo p. A impureza do doador no semicondutor do tipo N perde um elétron e se torna um íon positivo. A impureza aceitante no tipo p aceita este elétron, formando um íon negativo. A "região de esgotamento" imediatamente ao redor da junção torna-se assim deficiente em elétrons e buracos. Na região de esgotamento, a região do material do tipo N está agora repleta de íons positivos, e o material do tipo p é dominado por íons negativos. Os íons positivos repelem elétrons para longe do lado n-tipo da junção, enquanto os íons negativos repelim buracos do lado tipo p da junção. O campo elétrico a partir do acúmulo de íons na junção p-n efetivamente impede que elétrons ou buracos fluam através da junção.

No entanto, se uma tensão forte o suficiente for aplicada através da junção p-n, a corrente pode ser feita para fluir novamente. Se uma queda positiva de tensão for colocada através da junção (ou seja, uma diminuição da tensão do material tipo p para o material do tipo n), então o campo elétrico aplicado pode ser capaz de superar a força dos íons e pode empurrar elétrons através da junção. Diz-se que a junção é "tendenciosa para a frente" neste caso. Por outro lado, se uma queda de tensão negativa for aplicada através da junção (ou seja, uma diminuição da tensão do material do tipo n para o material do tipo p), então a tensão aplicada adiciona repulsa extra à repulsa existente dos íons, e a corrente não pode fluir. Nesta configuração, a junção é "com viés reverso". A corrente pode, assim, fluir apenas em uma direção através de uma junção p-n.

A equação do diodo shockley descreve a corrente, fluindo através de uma junção p-n em função de sua temperatura e da queda de tensão através dela:

(Equação 1)

onde eu_sentei é a corrente de saturação tipicamente em Amperes (A), e é a carga eletrônica igual a 1,602 10^-19 Coulombs (C), V é a queda de tensão através do diodo em Volts (V), n é um parâmetro sem dimensão que varia de 1 a 2 e responde por imperfeições no diodo (n = 1 para um diodo ideal), é a constante de Boltzmann 1.38 10^-23 m² kg s^-2 K^-1, e T é a temperatura do diodo em Kelvins (K). A corrente de saturação é a pequena corrente que ainda consegue fluir mesmo quando o diodo é invertido. Pode-se ver que a corrente cresce exponencialmente para tensões positivas e é exponencialmente amortecida por tensões negativas. Há também uma forte dependência de temperatura. Altas temperaturas diminuem o fluxo atual, e baixas temperaturas fazem com que a corrente aumente.

1. Observe o comportamento de uma junção p-n na forma de um diodo semicondutor e meça sua curva característica de tensão atual.

1. Obtenha um diodo semicondutor, um LED (diodo emissor de luz), uma fonte de energia, dois multimetros digitais, um resistor de 1 kΩ, alguns cabos e conectores de banana, e um termômetro.
2. Olhe para o diodo semicondutor. Deveria haver uma banda em um de seus fins. O lado da banda é o "cátodo". O lado sem a banda é o "ânodo".
3. Certifique-se de que a fonte de alimentação está desligada antes de conectar quaisquer componentes do circuito. Usando os cabos de banana, conecte o terminal positivo da fonte de energia a um lado do resistor, e o outro lado do resistor ao ânodo do diodo. Em seguida, conecte um multímetro no modo amômetro ao cátodo do diodo e conecte o outro terminal do amômetro ao terminal negativo da fonte de energia para completar o circuito.
4. Regissu mais a temperatura na sala.
5. Defina a fonte de alimentação para gerar uma corrente direta de 5 V e, em seguida, ligue-a.
6. Coloque a liderança positiva do multímetro no ânodo do diodo e a liderança negativa no cátodo.
7. Nesta configuração, o diodo é considerado com viés para a frente, por isso deve haver uma corrente fluindo através do circuito, e o multímetro deve exibir uma tensão. Regissão a tensão e a corrente que os multimetros exibem.
8. Ajuste a fonte de alimentação para gerar uma tensão diferente. Registo as leituras de tensão e corrente dos dois multimetros, que ainda devem ser conectados em séries com o diodo.
9. Repita a etapa anterior várias vezes para uma série de tensões. Regissua a temperatura ambiente durante cada repetição também.
10. Remova o multimetro e desligue a fonte de alimentação. Embora essas tensões não estejam em um nível perigoso, é sempre mais seguro desligar a fonte de alimentação ao manusear componentes do circuito.
11. Mantenha todas as conexões e configuração iguais, exceto virar o diodo. O cátodo está agora ligado a onde o ânodo estava previamente conectado, e vice-versa para o ânodo.
12. Ligue a fonte de alimentação e reconecte o multímetro através do diodo, com a liderança positiva do mímômetro no ânodo do diodo e o chumbo negativo no cátodo.
13. Regisso recorde a nova tensão e a corrente que são exibidas. Pode ser necessário ajustar a sensibilidade do multimetro. O diodo agora é invertido, então apenas uma corrente minúscula será permitida a fluir através do circuito.
14. Use a equação do diodo Shockley para calcular a corrente que passa pelo diodo em função da tensão através do diodo e da temperatura do diodo. Suponha que eu_sentei = 4 10^-10 A.
15. Desligue a fonte de alimentação e troque o diodo por um LED.
16. O LED terá dois pinos. O pino mais longo é o ânodo, e o pino mais curto é o cátodo. Observe o LED em configurações com viés avançado e com viés reverso.
17. Observe que, como a corrente só flui quando o LED é com viés de avanço, o LED só acenderá quando estiver na configuração com viés para a frente e ficará escuro na configuração com viés reverso.

Os resultados típicos das medições do circuito são mostrados na Tabela 1. A equação do diodo shockley descreve a corrente através de um diodo em função da temperatura do diodo e da queda de tensão através dele. Para uma temperatura de 293,0 K, uma tensão de 555 mV através do diodo, e um fator de idealidade arbitrário (mas representativo) de n = 1,5,

A corrente através do diodo é calculada para todas as tensões medidas. A curva característica do diodo (corrente em função da tensão) é traçada na Figura 1. A dependência exponencial da corrente na tensão é claramente vista. Quando em viés avançado, o diodo permite que a corrente flua. Quando em viés reverso, apenas a corrente de saturação microscópica pode fluir, efetivamente fazendo do diodo uma válvula que só permite o fluxo de corrente em uma direção.

Tabela 1: Resultados.

Figura 1: Os pontos teóricos da equação do diodo shockley estão em azul. Os pontos de dados medidos estão em vermelho. Um fator de idealidade arbitrária de n = 1,5 foi utilizado na equação do diodo de Shockley. A discrepância entre valores medidos e teóricos poderia desaparecer se o verdadeiro fator idealidade do diodo fosse conhecido.

Este laboratório explorou as propriedades dos semicondutores e uma junção p-n na forma de um diodo semicondutor. Um diodo é um componente de circuito composto por uma junção p-n. A curva característica do diodo foi medida, observando-se que o diodo conduzia uma corrente elétrica em apenas uma direção. Um LED contém um tipo especial de junção p-n que emite luz, além de conduzir unidiretamente.

Os semicondutores são amplamente utilizados na indústria eletrônica. Os diodos semicondutores contêm apenas uma única junção p-n, enquanto os transistores são feitos de junções n-p-n e p-n-p; ou seja, duas junções p-n diretamente ao lado da outra. Transistores semicondutores são a base de quase todos os eletrônicos modernos. Eles podem ser usados para construir portões lógicos, que são circuitos que podem realizar operações lógicas booleanas básicas como AND, OR, NOT e NAND. Essas operações lógicas podem ser combinadas para executar operações mais complexas, como adição e multiplicação, e podem até ser usadas para construir processadores de computador e memória. LeDs feitos de semicondutores são fontes de luz mais eficientes em termos de energia do que as lâmpadas incandescentes tradicionais.