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Sensores Integrados em Silício IE325 EE824
Física dos Semicondutores Professor Fabiano Fruett
UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207
www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano
Referências
• A. M. Jorge, “Fisica e modelos decomponents bipolares” Editora da Unicamp, 1999 ISBN 85-268-0467-7
• S.M. Sze, “Physics of semiconductor Devices”
• Bart Van Zeghbroeck, “Principles of semiconductor devices” http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/welcome.htm
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Introdução:
Em um sensor microeletrônico a variável de entrada (medida) éconvertida em uma variável elétrica.
Esta conversão de energia é feita através da modulação dos mecanismos de transporte das cargas no semicondutor.
• Materiais:– Isolantes Semicondutores Condutores
• Sólidos:– Cristais Policristais Amorfos
Classificação
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Classificação dos materiais de acordo com sua condutividade:
• Condutores (metais) σ = [107 – 106] Sm-1
• Semicondutores σ = [10-8 – 106] Sm-1
• Isolantes σ = [10-8 – 10-16] Sm-1
Faixa de resistividade típica para sólidos
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Resistência de um condutor versus temperatura
R0 é a resistência na temperatura T0 eα é o coeficiente de temperatura da resistência. Exemplo: α=0.003 K-1.
( ) [ ][ ]00 1 TTRTR −+= α
Resistência de um semicondutor puro versus temperatura
Ea é chamada de energia de ativação ek é a constante de Boltzmann
( )
= kT
ERTR aexp0
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Alguns elementos e compostos semicondutores
Cargas móveis em metais e semicondutores
• Metais: Contém um número constante de portadores móveis em todas as temperaturas
• Semicondutor: Os portadores devem ser ativados para que se tornem livres.
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Silício intrínsecoO Si intrínseco é um semicondutor puro, um cristal abstrato que não conta com nenhum outro tipo de elemento que não seja o principal.
Semicondutor intrínsico
Os elétrons livres encontram-se acima de Ec, e os elétrons de ligação abaixo de Ev. A energia necessária para a formação dos pares elétron-lacuna é Eg=Ec-Ev.
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Para calcular a corrente elétrica em um cristal semicondutor, precisamos:
• Saber quantas cargas móveis estão presentes no material.
• Estudar o transporte destas cargas móveis através do cristal.
Correntes elétricas nos semicondutores
• Corrente de campo (deriva)
• Corrente de difusão
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Corrente de campo (deriva)
Movimento aleatório de um portador em um semicondutor com e sem um campo
elétrico aplicado
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Valores de mobilidades em função da dopagem
Figura I.9 Martins
A mobilidade diminui com o grau de contaminação do semicondutor e com o aumento da temperatura.
Fonte: Martins
Resistividade em função da dopagem
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Resistividade versus temperatura
Silício extrínseco
Efeitos dominantes em cada região
• Na região II a dependência da resistividade com a temperatura é governada pela variação da mobilidade. Nessa região todos átomos doadores estão ionizados. Para um aumento da temperatura a mobilidade diminui econseqüentemente a resistividade aumenta.
• Na região I nem todos os átomos doadores estão ionizados e embora que a mobilidade continue aumentando com a diminuição da temperatura, o decaimento da densidade de portadores com o decaimento da temperatura domina e causa um aumento da resistividade com o decaimento da temperatura.
• Na região III a densidade de elétrons da banda de condução não é apenas governada pela concentração de doadores, mas também pelos elétrons que são termicamente ativados para moverem-se de uma banda de valência para uma banda de condução. Esse número adicional de elétrons aumenta com a temperatura e conseqüentemente a resistividade diminui.