FISICA BASICA SEMICONDUTORES ch02

Prévia do material em texto

1
ELETRÔNICA - I
 Cap. 1 Introdução à Eletrônica
 Cap. 2 Física Básica de Semicondutores
 Cap. 3 Modelos e Circuitos com Diodos
 Cap. 4 Física de Transistores Bipolares 
 Cap. 5 Amplificadores Bipolares 
 Cap. 6 Física de Transistores MOS
 Cap. 7 Amplificadores MOS
2
Cap. 2 Física Básica de Semicondutores 
 2.1 Materiais Semicondutores e suas propriedades
 2.2 Junção Diodo - PN
 2.3 Ruptura Reversa
CH2 Basic Physics of Semiconductors 3
2.1 Física de Semicondutores
 Dispositivos semicondutores são o coração dos CI´s.
 A Junção PN é a parte fundamental dos dispositivos 
semicondutores. 
CH2 Basic Physics of Semiconductors 4
Portadores de Carga em Semicondutores
 Para entender as características das junções PN, é importante estudar:
 o comportamento dos portadores de carga no estado sólido;
 a modificação da densidade dos portadores; e
 os diferentes mecanismos de fluxo de carga.
CH2 Basic Physics of Semiconductors 5
Tabela Periódica 
O extrato de tabela acima contem Elementos Químicos pertencentes aos Grupos 3A, 4A e 5A:
→ Grupo 3A / 3 elétrons de valência: B, Al e Ga;
→ Grupo 4A / 4 elétrons de valência: C, Si e Ge; e
→ Grupo 5A / 5 elétrons de valência: P e As.
CH2 Basic Physics of Semiconductors 6
Silício - Si
 O Si tem 4 (quatro) elétrons de valência, que podem formar 
ligações covalentes com quatro átomos vizinhos. 
 Quando a temperatura aumenta, os elétrons de valência 
podem se tornar livres com a quebra da ligação covalente. 
CH2 Basic Physics of Semiconductors 7
Interação do Par Elétron - Lacuna 
 Com os elétrons livres oriundos da quebra das ligações covalentes, 
lacunas são geradas.
 As lacunas podem ser preenchidas pela absorção de outros 
elétrons livres, criando efetivamente um fluxo de carga/portadores.
CH2 Basic Physics of Semiconductors 8
Densidade de Elétron Livre (ni) X Temperatura (T)
 A Energia de Banda Proibida (Eg) determina o esforço 
necessário para liberação de um elétron de sua ligação 
covalente.
 Existe uma relação exponencial entre a densidade de 
elétrons livres (ni ) e a Energia de Banda Proibida (Eg).
ni=5 .2×10
15T 3/2exp
−Eg
2kT
electrons /cm3
ni(T=300
0K )=1 .08×1010 electrons /cm3
ni(T=600
0K )=1 .54×1015 electrons /cm3
CH2 Basic Physics of Semiconductors 9
Dopagem - Tipo N
 O Silício (Si), que conta com 4 (quatro) elétrons de valência, pode ser 
dopado com outros elementos/impurezas para alterar as suas 
propriedades eléctricas.
 Se o Si é dopado com Fósforo (P), que conta com 5 (cinco) elétrons 
de valência, terá NATURALMENTE 1 (um) elétron livre para cada átomo 
de Fósforo, tornando-se então um Semicondutor Tipo N.
CH2 Basic Physics of Semiconductors 10
Dopagem - Tipo P
 Se o Si é dopado com B (Boro), que conta com 3 (três ) 
elétrons de valência, terá NATURALMENTE uma lacuna 
“livre”, para cada átomo de Boro, tornando-se então um 
Semicondutor Tipo P.
CH2 Basic Physics of Semiconductors 11
Sumário de Portadores de Carga
CH2 Basic Physics of Semiconductors 12
Densidades de Elétrons e Lacunas 
 Independente dos níveis de dopagem, o produto das densidades 
de elétrons (n=Nd/doadores) e de lacunas (p=Na/aceitadores) é 
sempre igual ao quadrado da densidade de elétrons intrínseca (ni), 
isto é, correspondente ao semicondutor puro.
np=n
i2
p≈N A
n≈
n
i2
N A
n≈N D
p≈
n
i 2
N D
Portadores Majoritários:
Portadores Minoritários:
Portadores Majoritários:
Portadores Minoritários:
CH2 Basic Physics of Semiconduct
ors 
13
Drift / Deriva
 Primeiro Mecanismo de Transporte de Carga 
 O processo no qual as partículas de carga movem-se devido a um Campo Eléctrico (E) é 
chamado Drift/Deriva. 
 Partículas de carga movem-se a uma velocidade que é proporcional ao campo eléctrico.
 v ~ E / v = E, onde  é chamado mobilidade e expressa em (cm²/V.s) .
CH2 Basic Physics of Semiconduct
ors 
14
Fluxo de Corrente : Caso Geral
 A corrente elétrica é calculada como a quantidade de carga por 
unidade de volume (n.q) que passa através de uma secção transversal 
(W.h) supondo a carga com uma velocidade de v (metros / s). 
I=−v⋅W⋅h⋅n⋅q
CH2 Basic Physics of Semiconductors 15
J n=μnE⋅n⋅q
J tot=μn E⋅n⋅q+μpE⋅p⋅q
q ( μnn+μp p )E
Fluxo de Corrente: Drift/Deriva
 Sendo a velocidade (v) proporcional ao Campo Elétrico (E), a 
característica Drift é obtida pela substituição de (v) por (E) na equação 
geral da corrente.
 A Densidade de Corrente Total (Jtot), correspondente à corrente I por 
unidade de área da secção(cm²), cuja a unidade é (A/cm²), consiste de 
ambas as Densidades: de elétrons e de lacunas.
CH2 Basic Physics of Semiconduct
ors 
16
Velocidade de Saturação
 A velocidade de saturação é um tópico tratado em cursos 
mais avançados.
 Na realidade, a velocidade não cresce linearmente com o 
campo elétrico e eventualmente satura em um valor crítico.
μ=
μ0
1+bE
vsat=
μ0
b
v=
μ0
1+
μ0E
v sat
E
CH2 Basic Physics of Semiconductors 17
Difusão: Segundo Mecanismo de Transporte de 
Carga
 Partículas de carga movem-se a partir de uma região de elevada concentração para uma 
região de baixa concentração. 
 O Fenômeno da Difusão de Cargas é análogo ao de uma gota de tinta que pinga na 
superfície da água. 
CH2 Basic Physics of Semiconduct
ors 
18
Fluxo de Corrente: Difusão
 A Difusão de Corrente é proporcional ao gradiente de carga 
(dn / dx) ao longo da direção do fluxo.
 A corrente total resulta das densidade dos elétrons e das 
lacunas e Dn é chamada Constante de Difusão.
I=AqDn
dn
dx
J n=qDn
dn
dx
J p=−qDp
dp
dx
J tot=q (Dn
dn
dx
−Dp
dp
dx
)
CH2 Basic Physics of Semiconductors 19
Exemplo: Perfil de Densidade Carga Linear x Não-
linear
 Perfil de densidade de carga linear, n(x)=(-N/L).x, significa que a 
Corrente de Difusão (J) é constante
 Perfil de densidade de carga não-linear, n(x)= N.exp(-x/Ld), significa 
variação da Corrente de Difusão (J). 
J n=qDn
dn
dx=−qDn⋅
N
L
J n=qD
dn
dx
=
−qDnN
Ld
exp−x
Ld
CH2 Basic Physics of Semiconduct
ors 
20
Relação de Einstein
 Enquanto a física considerava correntes de drift e de 
difusão totalmente independentes, a relação de Einstein 
oferece uma misteriosa ligação entre as duas.
D
μ =
kT
q
CH2 Basic Physics of Semiconductors 21
Junção PN (Diodo)
 Quando dopantes do tipo N e de tipo P são introduzidos 
lado a lado em um semicondutor, uma junção PN ou um 
Diodo é formado. 
CH2 Basic Physics of Semiconductors 22
 Três Regiões de Operação do Diodo
 Para compreender o funcionamento de um diodo, é 
necessário estudar as suas três regiões de operação: 
equilíbrio, polarização reversa, e polarização direta.
CH2 Basic Physics of Semiconductors 23
Fluxo de Corrente através da Junção: Difusão
 Como cada um dos lados da junção contém um excesso de Lacunas ou 
Elétrons em relação ao outro lado, existe um grande gradiente de 
concentração. 
 Assim, uma corrente de difusão flui através da junção em ambas as direções.
CH2 Basic Physics of Semiconduct
ors 
24
Região de Depleção
 Como elétrons livres e lacunas se difundem através da 
junção, ocorre a formação de uma região de íons fixos. 
Esta região é conhecida como a "Região de Depleção."
CH2 Basic Physics of Semiconductors 25
Fluxo de Corrente através da Junção: Drift
 Os íons fixos na região de depleção criam um campo 
elétrico que resulta em uma corrente de drift.
CH2 Basic Physics of Semiconductors 26
Fluxo de Corrente através da Junção: Equilíbrio
 No equilíbrio, a corrente de fugaque flui numa direção 
anula a corrente de difusão que flui na direção oposta, 
implicando a criação de uma corrente líquida igual a zero.
 A figura mostra o perfil de carga de junção PN.
I drift,p=I diff,p
I drift,n=I diff,n
CH2 Basic Physics of Semiconduct
ors 
27
Potencial
 Devido ao campo elétrico através da junção, existe um 
potencial embutido, conforme mostrado acima.
qμp pE=−qD p
dp
dx
μp∫
x1
x
2
dV=D p∫
p p
p
n dp
p
−μ p p
dV
dx =−Dp
dp
dx
V ( x2 )−V (x1 )=
Dp
μp
ln
p p
pn
V 0=
kT
q
ln
pp
pn
,V 0=
kT
q
ln
N AN D
n i2
CH2 Basic Physics of Semiconductors 28
Diodo Polarizado Inversamente
Quando a região de tipo N de um diodo está ligado a um potencial 
mais elevado do que a região de tipo P, o diodo está em 
polarização inversa, o que resulta na região de depleção mais larga 
e maior campo eléctrico embutido através da junção.
CH2 Basic Physics of Semiconductors 29
Aplicação - Diodo Polarizado Inversamente : 
Capacitor Dependente da Tensão
A junção PN pode ser vista como um capacitor. Variando Vr, altera 
a distância entre as “placas”, mudando o valor de capacitância; 
A junção PN é, na verdade, um capacitor dependente da tensão.
CH2 Basic Physics of Semiconduct
ors 
30
Capacitância Dependente da Tensão
As equações mostradas acima que descrevem a capacitância 
dependente da tensão.
C j=
C j 0
√1+V RV 0
C j 0=√ε siq2 N AN DN A+N D 1V 0
CH2 Basic Physics of Semiconduct
ors 
31
Oscilador Controlado por Tensão - VCO 
Uma aplicação muito importante de uma junção PN 
reversamente polarizada é VCO, em que um tanque LC é 
usado em um oscilador. Mudando VR, podemos mudar C, que 
também muda a freqüência de oscilação.
f res=
1
2π
1
√LC
CH2 Basic Physics of Semiconductors 32
Diodo em Polarização Direta
Quando a região de tipo N de um diodo está a um potencial 
mais baixo do que a região de tipo P, o diodo está em 
polarização direta.
A largura depleção é encurtada e o campo eléctrico embutido 
diminuiu.
CH2 Basic Physics of Semiconduct
ors 
33
Perfil de Portadores Minoritários em Polarização 
Direta
Sob polarização direta, ocorre aumento dos portadores 
minoritários em cada região devido ao redução do campo 
elétrico interno . Portanto, as correntes de difusão aumentam 
para suprir esses portadores minoritários.
pn,f=
pp,f
exp
V 0−V F
V T
pn,e=
p p,e
exp
V 0
V T
CH2 Basic Physics of Semiconduct
ors 
34
Corrente de Difusão em Polarização Direta
Corrente de difusão aumenta, a fim de suprir o aumento de 
portadores minoritários, como mostrado acima.
Δn p≈
N D
exp
V 0
V T
(exp
V F
V T
−1) Δpn≈
N A
exp
V 0
V T
(exp
V F
V T
−1)
I s=Aqni 2(
Dn
N A Ln
+
Dp
N D Lp
)I tot=I s(exp
V F
V T
−1)
I tot∝
N A
exp
V 0
V T
(exp
V F
V T
−1 )+
N D
exp
V 0
V T
(exp
V F
V T
−1 )
CH2 Basic Physics of Semiconductors 35
Polarização Direta: Resumo
Na polarização direta, há grandes correntes de difusão de 
portadores minoritários através da junção. No entanto, à 
medida que avançamos nas regiões N e P, as correntes de 
recombinação dos portadores majoritários dominam. Estas 
duas correntes se somam e resultam em um valor constante.
CH2 Basic Physics of Semiconduct
ors 
36
Curva Característica da Junção PN
A relação de tensão e corrente de uma junção PN é 
exponencial na região de polarização direta, e relativamente 
constante na região de polarização inversa.
ID=I S(exp
V D
V T
−1)
CH2 Basic Physics of Semiconductors 37
Junções PN em Paralelo
Desde correntes de junção são proporcionais à área da 
secção transversal da junção. Duas junções PN colocados em 
paralelo são eficazmente uma junção PN com o dobro da área 
de secção transversal, e, portanto, o dobro da corrente.
CH2 Basic Physics of Semiconductors 38
Modelo Ideal de Diodo – Tenão Constante
O Diodo funciona como um circuito aberto se VD< VD,on e uma 
fonte de tensão constante de valor VD,on se VD tende a exceder 
VD,on.
CH2 Basic Physics of Semiconductors 39
Exemplo: Cálculos com Diodo
Este exemplo mostra a simplicidade de um modelo ideal 
contra o modelo exponencial.
Para um modelo exponencial, é necessário o método iterativo, 
enquanto o modelo ideal requer apenas equações lineares.
V X=IX R1+V D=I XR1+VT ln
IX
I SI X=2 .2mA
I X=0.2mA
V X=3V
V X=1V
for
for
CH2 Basic Physics of Semiconductors 40
Tensão Reverse de Quebra
Quando uma grande tensão de polarização inversa é aplicada, há 
quebra da junção originado uma corrente elevada através do diodo.
	Slide 1
	Slide 2
	Slide 3
	Slide 4
	Slide 5
	Slide 6
	Slide 7
	Slide 8
	Slide 9
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12
	Slide 13
	Slide 14
	Slide 15
	Slide 16
	Slide 17
	Slide 18
	Slide 19
	Slide 20
	Slide 21
	Slide 22
	Slide 23
	Slide 24
	Slide 25
	Slide 26
	Slide 27
	Slide 28
	Slide 29
	Slide 30
	Slide 31
	Slide 32
	Slide 33
	Slide 34
	Slide 35
	Slide 36
	Slide 37
	Slide 38
	Slide 39
	Slide 40