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9.8: Dispositivos semicondutores

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    Objetivos de

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Descreva o que ocorre quando materiais dos tipos n e p são unidos usando o conceito de difusão e corrente de desvio (tensão aplicada zero)
    • Explique a resposta de uma junção p-n a uma tensão de polarização direta e reversa
    • Descreva a função de um transistor em um circuito elétrico
    • Use o conceito de uma junção p-n para explicar suas aplicações em amplificadores de áudio e computadores

    Os semicondutores têm muitas aplicações na eletrônica moderna. Descrevemos alguns dispositivos semicondutores básicos nesta seção. Uma grande vantagem de usar semicondutores para elementos de circuito é o fato de que muitos milhares ou milhões de dispositivos semicondutores podem ser combinados no mesmo pequeno pedaço de silício e conectados por caminhos condutores. A estrutura resultante é chamada de circuito integrado (ic), e os chips ic são a base de muitos dispositivos modernos, desde computadores e smartphones até a Internet e redes de comunicação globais.

    Diodos

    Talvez o dispositivo mais simples que possa ser criado com um semicondutor seja um diodo. Um diodo é um elemento de circuito que permite que a corrente elétrica flua em apenas uma direção, como uma válvula unidirecional (consulte Modelo de Condução em Metais). Um diodo é criado unindo um semicondutor do tipo p a um semicondutor do tipo n (Figura\(\PageIndex{1}\)). A junção entre esses materiais é chamada de junção p-n. Uma comparação das bandas de energia de um diodo à base de silício é mostrada na Figura\(\PageIndex{1b}\). As posições das bandas de valência e condução são as mesmas, mas os níveis de impureza são bem diferentes. Quando uma junção p-n é formada, os elétrons da banda de condução do material do tipo n se difundem para o lado p, onde se combinam com orifícios na banda de valência. Essa migração de carga deixa íons doadores ionizados positivos no lado n e íons aceitadores ionizados negativos no lado p, produzindo uma camada dupla estreita de carga na junção p - n chamada camada de depleção. O campo elétrico associado à camada de depleção evita uma maior difusão. A energia potencial dos elétrons na junção p-n é dada pela Figura\(\PageIndex{2}\).

    A Figura a mostra dois blocos colocados lado a lado, em contato. A esquerda é rotulada como p e a direita é rotulada como n. A Figura b mostra uma faixa de valência na parte inferior e uma banda de condução na parte superior. Existem orifícios dentro da faixa de valência à esquerda, orifícios rotulados na parte superior da faixa de valência. Há elétrons acima da linha de condução à direita, elétrons marcados na parte inferior da banda de condução. As faixas de impureza são mostradas acima dos orifícios e abaixo dos elétrons.
    Figura\(\PageIndex{1}\): (a) Representação de uma junção p-n. (b) Uma comparação das bandas de energia do silício do tipo p e do tipo n antes do equilíbrio.

    O comportamento de um diodo semicondutor agora pode ser entendido. Se o lado positivo da bateria estiver conectado ao material do tipo n, a camada de depleção será ampliada e a diferença de energia potencial na junção p-n aumentará. Poucos ou nenhum dos elétrons (buracos) tem energia suficiente para escalar a barreira de potencial e a corrente é significativamente reduzida. Isso é chamado de configuração de polarização reversa. Por outro lado, se o lado positivo de uma bateria estiver conectado ao material do tipo p, a camada de depleção é reduzida, a diferença de energia potencial na junção p-n é reduzida e os elétrons (orifícios) fluem facilmente. Isso é chamado de configuração de polarização direta do diodo. Em suma, o diodo permite que a corrente flua livremente em uma direção, mas evita o fluxo de corrente na direção oposta. Nesse sentido, o diodo semicondutor é uma válvula unidirecional.

    A Figura a mostra dois blocos colocados lado a lado, em contato. O esquerdo é rotulado como p e o direito é rotulado como n. Sinais negativos são mostrados no bloco p próximo ao lado em contato. Sinais de mais são mostrados no bloco n próximo ao lado em contato. A Figura b mostra uma faixa de valência na parte inferior e uma linha de condução na parte superior. A faixa de valência é mais alta no lado esquerdo, quase atingindo a linha central entre as duas bandas. Existem orifícios com a faixa de valência na parte superior, à esquerda. A linha de condução está mais baixa à direita, quase atingindo a linha central entre as duas bandas. Há elétrons logo acima da linha, à direita. O deslocamento das bandas é rotulado como eV subscrito 0, a diferença de potencial impede a difusão de elétrons do lado n para o lado p.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Em equilíbrio, (a) o excesso de carga reside perto da interface e a corrente líquida é zero, e (b) a diferença de energia potencial para elétrons (em azul claro) impede uma maior difusão de elétrons no lado p.

    Podemos estimar a relação matemática entre a corrente e a tensão de um diodo usando o conceito de potencial elétrico. Considere N portadores majoritários carregados negativamente (elétrons doados por átomos de impureza) no material do tipo n e uma barreira potencial V através da junção p-n. De acordo com a distribuição Maxwell-Boltzmann, a fração de elétrons que tem energia suficiente para se difundir pela barreira potencial é\(Ne^{-eV/k_BT}\). No entanto, se uma bateria de voltagem\(V_b\) for aplicada na configuração de polarização direta, essa fração melhora para\(Ne^{-e(V-V_b)/k_BT}\). A corrente elétrica devida à maioria dos portadores do lado n para o lado p é, portanto,

    \[I = Ne^{-eV/k_BT}e^{eV_b/k_BT} = I_0e^{eV_b/k_BT}, \nonumber \]

    onde\(I_0\) está a corrente sem tensão aplicada e T é a temperatura. A corrente devida aos portadores minoritários (excitação térmica de elétrons da banda de valência para a banda de condução no lado p e subsequente atração para o lado n) é\(-I_0\) independente da tensão de polarização. A corrente líquida é, portanto,

    \[I_{net} = I_0\left(e^{eV_b/k_BT} - 1\right). \nonumber \]

    Um gráfico de amostra da corrente versus tensão de polarização é fornecido na Figura\(\PageIndex{3}\). Na configuração de polarização direta, pequenas mudanças na tensão de polarização levam a grandes mudanças na corrente. Na configuração de polarização reversa, a corrente é\(I_{net} \approx -I_0\). Para valores extremos de polarização reversa, os átomos do material são ionizados, o que desencadeia uma avalanche de corrente. Este caso ocorre na tensão de ruptura.

    Gráfico de I subscrito net versus V. Uma seta apontando para a direita a partir do eixo y é rotulada como polarização direta. Uma seta apontando para a esquerda do eixo y é rotulada como polarização reversa. A curva sobe e vai para a direita no primeiro quadrante e depois se torna quase vertical com valores mais altos de x e y. Ela cruza o eixo x positivo para o quarto quadrante e, em seguida, o eixo y negativo em menos I subscrito 0. Ele viaja para a esquerda em uma linha horizontal até um ponto em que se transforma bruscamente no que se torna uma linha quase vertical. O valor x do ponto de giro é rotulado como tensão de ruptura.
    Figura\(\PageIndex{3}\): Corrente versus tensão em uma junção p-n (diodo). Na configuração de polarização direta, a corrente elétrica flui facilmente. No entanto, na configuração de polarização inversa, a corrente elétrica flui muito pouco.
    Exemplo\(\PageIndex{1}\): Diode Current

    Conectar a extremidade positiva de uma bateria ao lado p e a extremidade negativa ao lado n de um diodo semicondutor produz uma corrente de\(4.5 \times 10^{-1} A\). A corrente de saturação reversa é\(2.2 \times 10^{-8} A\). (A corrente de saturação reversa é a corrente de um diodo em uma configuração de polarização reversa como essa.) A voltagem da bateria é de 0,12 V. Qual é a temperatura do diodo?

    Estratégia

    O primeiro arranjo é uma configuração de polarização direta e o segundo é a configuração de polarização reversa.

    Solução

    A corrente nas configurações de polarização direta e reversa é dada por

    \[I_{net} = I_0\left(e^{eV_b/k_BT} - 1\right). \nonumber \]

    A corrente sem polarização está relacionada à corrente de saturação reversa por

    \[I_0 \approx -I_{sat} = 2.2 \times 10^{-8}. \nonumber \]

    Portanto

    \[\dfrac{I_{net}}{I_0} = \dfrac{4.5 \times 10^{-1} A}{2.2 \times 10^{-8}A} = 2.0 \times 10^8. \nonumber \]

    isso pode ser escrito como

    \[\dfrac{I_{net}}{I_0} + 1 = e^{eV_b/k_BT}. \nonumber \]

    Essa proporção é muito maior do que um, então o segundo termo no lado esquerdo da equação desaparece. Pegar o tronco natural de ambos os lados dá

    \[\dfrac{eV_b}{k_BT} = 19. \nonumber \]

    A temperatura é, portanto,

    \[T = \dfrac{eV_b}{k_B} \left(\dfrac{1}{19}\right) = \dfrac{e(0.12 \, V)}{8.617 \times 10^{-5} eV/K} \left(\dfrac{1}{19}\right) = 73 \, K. \nonumber \]

    Significância

    A corrente que se move através de um diodo na configuração de polarização direta e reversa é sensível à temperatura do diodo. Se a energia potencial fornecida pela bateria for grande em comparação com a energia térmica dos arredores do diodo\(k_BT\), a corrente de polarização direta será muito grande em comparação com a corrente de saturação reversa.

    Exercício\(\PageIndex{1}\)

    Como a magnitude da corrente de polarização direta se compara com a corrente de polarização reversa?

    Solução

    A corrente de polarização direta é muito maior. Para uma boa aproximação, os diodos permitem o fluxo de corrente em apenas uma direção.

    Crie uma junção p - n e observe o comportamento de um circuito simples para tensões de polarização direta e reversa. Visite este site para saber mais sobre diodos semicondutores.

    Transistor de junção

    Se os diodos forem válvulas unidirecionais, os transistores são válvulas unidirecionais que podem ser cuidadosamente abertas e fechadas para controlar a corrente. Um tipo especial de transistor é um transistor de junção. Um transistor de junção tem três partes, incluindo um semicondutor do tipo n, também chamado de emissor; um semicondutor fino do tipo p, que é a base; e outro semicondutor do tipo n, chamado coletor (Figura\(\PageIndex{4}\)). Quando um terminal positivo é conectado à camada do tipo p (a base), uma pequena corrente de elétrons, chamada corrente base\(I_B\), flui para o terminal. Isso faz com que uma grande corrente coletora\(I_C\) flua através do coletor. A corrente base pode ser ajustada para controlar a grande corrente do coletor. O ganho atual é, portanto,

    \[I_c = \beta I_B. \nonumber \]

    Três blocos em contato são mostrados. Da esquerda para a direita, eles são rotulados: emissor, tipo n, base, tipo p e coletor, tipo n. Uma fonte de tensão é conectada ao coletor e ao emissor, com o coletor sendo positivo. Outra fonte de tensão é conectada entre o emissor e a base, com a base sendo positiva. Uma flecha grossa parte do emissor, passa pelos outros dois blocos, sai do coletor e viaja ao longo do primeiro circuito de tensão. A seta é rotulada como grande fluxo de elétrons, corrente coletora. Uma flecha mais fina da base viaja para o segundo circuito de tensão. Isso é chamado de pequeno fluxo de elétrons, corrente base.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Um transistor de junção tem três partes: emissor, base e coletor. A tensão aplicada à base atua como uma válvula para controlar a corrente elétrica do emissor para o coletor.

    Um transistor de junção pode ser usado para amplificar a voltagem de um microfone para acionar um alto-falante. Nesta aplicação, as ondas sonoras fazem com que um diafragma dentro do microfone entre e saia rapidamente (Figura\(\PageIndex{5}\)). Quando o diafragma está na posição “in”, uma pequena tensão positiva é aplicada na base do transistor. Isso abre a “válvula” do transistor e permite um grande fluxo de corrente elétrica para o alto-falante. Quando o diafragma está na posição “de saída”, uma pequena tensão negativa é aplicada à base do transistor, que desliga a válvula do transistor para que nenhuma corrente flua para o alto-falante. Isso desliga a “válvula” do transistor para que nenhuma corrente flua para o alto-falante. Dessa forma, a corrente do alto-falante é controlada pelas ondas sonoras e o som é amplificado. Qualquer dispositivo elétrico que amplifica um sinal é chamado de amplificador.

    A Figura a mostra três blocos em contato. Da esquerda para a direita, eles são rotulados: emissor, tipo n, base, tipo p e coletor, tipo n. Um alto-falante é conectado ao coletor e ao emissor. Um microfone é conectado ao emissor e à base. É rotulado que o diafragma se move para fora. A voltagem no microfone é rotulada como voltagem base. É negativo na base. A figura é rotulada com pouco ou nenhum fluxo de elétrons. A Figura b mostra uma disposição semelhante à da figura a. Uma seta grossa começa no emissor, passa pelos outros dois blocos, sai do coletor e viaja ao longo do circuito do alto-falante. A seta é rotulada como grande fluxo de elétrons, corrente coletora. Uma flecha mais fina da base entra no circuito do microfone. Isso é chamado de pequeno fluxo de elétrons, corrente base. A polaridade da voltagem base no microfone é oposta à da figura a. O microfone é rotulado como diafragma se move para dentro. É mostrado que o alto-falante emite ondas sonoras.
    Figura\(\PageIndex{5}\): Um amplificador de áudio baseado em um transistor de junção. A tensão aplicada à base por um microfone atua como uma válvula para controlar uma corrente elétrica maior que passa por um alto-falante.

    Em dispositivos eletrônicos modernos, os sinais digitais são usados com diodos e transistores para realizar tarefas como manipulação de dados. Os circuitos elétricos transmitem dois tipos de sinais elétricos: analógico e digital (Figura\(\PageIndex{6}\)). Um sinal analógico varia continuamente, enquanto um sinal digital alterna entre dois valores fixos de tensão, como mais 1 volt e zero volts. Em circuitos digitais como os encontrados em computadores, um transistor se comporta como um botão liga/desliga. O transistor está ligado, o que significa que a válvula está completamente aberta, ou está desligado, o que significa que a válvula está completamente fechada. Os circuitos integrados contêm vastas coleções de transistores em uma única peça de silício. Eles são projetados para lidar com sinais digitais que representam uns e zeros, o que também é conhecido como código binário. A invenção do ic ajudou a lançar a revolução moderna dos computadores.

    Dois gráficos de V versus t são mostrados. O primeiro sinal analógico rotulado tem uma onda sinusoidal irregular. O segundo sinal digital rotulado tem uma onda quadrada.
    Figura\(\PageIndex{6}\): Os dados do mundo real geralmente são analógicos, o que significa que os dados podem variar continuamente. Os valores de intensidade das imagens sonoras ou visuais geralmente são analógicos. Esses dados são convertidos em sinais digitais para processamento eletrônico em dispositivos de gravação ou computadores. O sinal digital é gerado a partir do sinal analógico exigindo um determinado valor de corte de tensão.