Aula 4

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Junção pn, diodos, LED’s e diodos lasers 
• Semicondutor tipo p, tipo n 
• Junção pn, circuitos diretos e reversos 
• Equações de transporte 
• LED 
• OLED 
• Diodo laser 
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Diagrama de Bandas: Semicondutor sem Dopante 
EF 
EC 
EV 
Banda de condução 
(Parcialmente 
preenchida) 
Banda de valência 
(Parcialmente vazia) 
T > 0 
dispoptic-2013 
• Em T = 0, A banda de valência é preenchida com elétrons e a banda de 
condução está vazia, resultando em condutividade zero. 
• Em T > 0, elétrons podem ser termicamente excitados da banda de valência 
para a banda de condução, resultando em banda de valência parcialmente 
vazia e banda de condução parcialmente preenchida. 
3 
Diagrama de Banda: Semicondutor com dopante doador 
• Para o Si que é do grupo IV, adiciona-se um 
elemento do grupo V para “doar” um elétron e 
fazer Si tipo -n (temos mais elétron negativos 
• O elétron“Extra” está fracamente ligado, com 
nível de energia do doador ED justamente abaixo 
da banda de condução EC. 
– elétrons resultantes na banda de condução, 
promovem um aumento da condutividade 
pelo aumento da densidade de portadores 
livres n. 
• O nível de Fermi EF se desloca para EC devido a 
existência de mais portadores. 
• Aumenta a condutividade de um semicondutor pela adição de uma pequena 
quantidade de outro material denominado dopante (ao invés de aquecer-lo) 
EC 
EV 
EF 
ED 
Egap~ 1 eV 
n-type Si 
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Porção da tabela periódica – semicondutores 
Portion of the periodic table emphasizing the formation of 1:1 AZ solids 
that are isoelectronic with the Group 14 solids. Complementary pairs are 
indicated with similar shading: for example Ge, GaAs, ZnSe, and CuBr. 
5 
Semicondutor tipo -n 
 
 
6 
Diagrama de Banda: Semicondutor com dopante aceitador 
• Para o Si, do grupo IV, adiciona-se um 
elemento do grupo III para aceitar um 
elétron e teremos o Si tipo -p (mais buracos 
positivos). 
• Elétrons “perdidos” são armadilhados num 
nível de energia aceitador EA justamente 
acima da banda de valência EV. 
– Os buracos na banda de valência 
aumentam fortemente a condutividade 
elétrica. 
• O nível de Fermi EF é deslocado para abaixo 
na direção de EV devido a que há poucos 
portadores. 
EA 
EC 
EV 
EF 
p-type Si 
7 
Porção da tabela periódica – semicon. 
Portion of the periodic table emphasizing the formation of 1:1 AZ solids 
that are isoelectronic with the Group 14 solids. Complementary pairs are 
indicated with similar shading: for example Ge, GaAs, ZnSe, and CuBr. 
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Semicondutor tipo -p 
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Junção pn 
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Junção pn : Diagrama de Banda 
• Em equilíbrio, os níveis de Fermi 
(ou densidade de portadores de 
carga) devem se igualar. 
• Devido à difusão, os elétrons se 
movimentam do lado n para p e os 
buracos do lado p para n. 
• Zona de Depleção, ela ocorre na 
junção onde permanecem íons 
parados. 
• Isto resulta num campo elétrico 
(103 a 105 V/cm), que se opõe a 
uma maior difusão. 
Zona de Depleção 
regiões pn se “tocam” & portadores 
livres se movimentam 
elétrons 
regiões pn em equilíbrio 
buracos 
EV 
EF 
EC 
EF 
EV 
EF 
EC 
Tipo -p 
Tipo-n 
Junção pn: 
http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/pnfo
rmation2/pnformation2.html 
http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/pnfo
rmation3/index.html 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ + 
+ 
+ 
+ – – 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
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Exemplo de mudança da banda de energia pela 
composição: AlxGa1-xAs 
• http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/AlGaAs
/ternary.html 
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Fabricação de diodo pn 
• http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodefram
e.html 
• Abordagem a partir do substrato até o produto final 
mostrando o processo de litografia 
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Diodo PIN 
http://jas.eng.buffalo.edu/education/pin/pin/index.html 
Similar a junção PN mas com uma camada intrínseca inserida 
dispoptic-2013 14 
• Polarização Direta: voltagem negativa no lado n promove a difusão de elétrons através 
do decréscimo do potencial da junção na região de depleção  maior corrente. 
• Polarização Reversa: voltagem positiva no lado n inibe a difusão de elétrons através do 
incremento do potencial da junção na região de depleção  menor corrente. 
Junção pn : Diagrama de Bandas sobre polarização 
Polarização Direta Polarização Reversa Equilíbrio 
tipo -n tipo -p 
e– Portadores 
minoritários 
e– 
tipo -n 
–V 
tipo -p 
e– 
p-type n-type 
+V 
Portadores 
majoritários 
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• Relação Corrente-Voltagem (I-
V) 
 
 
 
• Polarização direta: a corrente 
aumenta exponencialmente. 
• Polarização Reversa: corrente 
de fuga pequeno ~Io. 
• Junção pn retificadora 
somente deixa passar corrente 
numa direção. 
Junção pn : Características I-V 
Polarização 
reversa 
Polariz. 
direta 
/[ 1]eV kToI I e 
http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/pnformation_B/index.html 
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• Pq útil? Determina tipo de portador de carga (elétron vs. buraco) e densidade 
de portadores n para um semicondutor. 
• Como? Semicondutor num campo externo B, corrente através de um eixo, e 
medida da voltagem de Hall induzida VH ao longo do eixo perpendicular. 
 
 
 
 
 
• Derivado da equação de Lorentz FE (qE) = FB (qvB). 
Semicondutor: Densidade de Dopante via Efeito Hall 
buraco elétron carga + carga - 
BF qv B 
Densidade de portadores n = _______(corrente I) (campo magnético B)__________ 
 (carga do portador q) (espessura t)(Voltagem Hall VH) 
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LED Celula Solar 
Dispositivos pn : LED e Célula Solar 
• Diodo emissor de luz = Light-emitting diode (LED) 
– Converte sinal elétrico em luz: entra elétron  sai fóton 
– Fonte de luz com vida longa, baixa potência, desenho compacto. 
– Aplicações: luzes indicadores, mostradores grandes. 
• Célula Solar 
– Converte entrada de luz em sinal elétrico de saida: entra fóton  sai elétron 
(os elétrons gerados são barridos pelo campo E da junção pn). 
– Fonte de energia renovável. 
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Curva característica de um LED 
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Diversos LED´s pela composição e cor 
• aluminium gallium arsenide (AlGaAs) - red and infrared 
• aluminium gallium phosphide (AlGaP) - green 
• aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) - high-brightness 
orange-red, orange, yellow, and green 
• gallium arsenide phosphide (GaAsP) - red, orange-red, orange, and 
yellow 
• gallium phosphide (GaP) - red, yellow and green 
• gallium nitride (GaN) - green, pure green (or emerald green), and blue 
• indium gallium nitride (InGaN) - near ultraviolet, bluish-green and blue 
• silicon carbide (SiC) as substrate - blue 
• silicon (Si) as substrate - blue (under development) 
• sapphire (Al2O3) as substrate - blue 
• zinc selenide (ZnSe) - blue 
• diamond (C) - ultraviolet 
• aluminium nitride (AlN), aluminium gallium nitride (AlGaN) - near to far 
ultraviolet 
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Formação de cores em LED´s 
Azul => In, Ga, N 
Verde => GaP 
Vermelho => Ga, P, As 
Soluções sólidas de GaP1-xAsx, onde x 
varia de 1 a 0. 
Para x = 0.6, o LED é vermelho. 
O LED emite em laranja quando x = 0.35. 
Para x = 0.15 o LED emite amarelo. Para x 
= 0 o LED emite verde, i.e. GaP 
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Dispositivos: LED’s várias cores 
• Diagrama de cromaticidade CIE 1976 : 
caracteriza as cores por uma parâmetro 
de luminância Y e duas coordenadas de 
cores x e y. 
• A luz branca pode ser criada usando 
LED’s amarelo e azul.0.9 
0.8 
0.7 
0.6 
0.5 
0.4 
0.3 
0.2 
0.1 
0.0 
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 
480 
470 
490 
500 
510 
530 
520 nm = verde 
540 
550 
560 
570 nm = amarelo 
580 
590 
600 
610 
640 nm = 
vermelho 
violeta 
Azul-verde 
WHITE 
2000 K 3000 
5000 
10,000 
20,000 
Incandescente 
Luz do dia 
460 nm = azul 
22 
Color Temperature and 
Color Rendering Index (CRI) 
23 
Dispositivos: relacionados com luz 
• Três efeitos principais para a luz interagir com a matéria: 
– Absorção: fóton incidente cria par elétron-buraco (célula solar). 
– Emissão Espontânea: par elétron-buraco decai espontaneamente 
para ejetar um fóton (LED). 
– Emissão Estimulada: o fóton incidente estimula para que outro par 
elétron-buraco decaia e ejete outro fóton, i.e. um fóton de entrada  
dois fótons de saída (LASER). 
Absorção Emissão 
estimulada 
Energia 
E2 
E1 
1 
2 
1 
2 
1 2 
3 
2 1
hc
E E

 
Emissão 
espontânea 
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Diversas interações de fótons com átomos 
a) Fluorescência 
b) Absorção 
Ressonante 
c) Emissão 
estimulada 
d) Espalhamento 
Rayleigh 
e) Efeito 
Compton 
f) Espalhamento 
Raman 
g) Efeito 
fotoelétrico 
Efeito fotoelétrico 
dispoptic-2013 
Fluorescência Abs. Ressonante 
Emissão estimulada Espalhamento Rayleigh 
Efeito Compton Espalhamento Raman 
Efeito fotoelétrico 
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Tratamento de transições 
 1212 BP
dt
d

Estimulada 
O campo de radiação tb pode induzir 
átomos que estão no estado excitado E2 
para fazer transições para E1 com emissão 
simultânea de fótons de energia h . O 
fóton induzido de energia h é emitido do 
mesmo modo que causou a emissão, o 
número de fótons é incrementado em um. 
A probabilidade de que um átomo emita 
um fóton induzido por segundo é: 
Espontânea 
Absorção induzida 
Probabilidade por segundo que um átomo 
irá absorver um fóton é proporcional ao 
número de fótons de energia h por 
unidade de volume, que pode ser expressa 
em termos da densidade de energia 
espectral  do campo de radiação 
B12 é o coeficiente de Einstein de absorção 
induzida 
 2121 BP
dt
d

B21 é o coeficiente de Einstein de emissão 
induzida A emissão espontânea tb ocorre e 
independe do campo de radiação externo 
2121 AP
dt
d espont 
A21 é o coeficiente de Einstein de emissão 
espontânea 
26 
GaAs Laser 
Dispositivos: LASER 
• O laser cria uma 
inversão de população 
de elétrons em níveis de 
energia superiores e 
então estimula-os a 
decair coerentemente a 
baixas energias. 
LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 
dispoptic-2013 
• Aplicações: fibras opticas, CD player, usinagem, medicina, etc. 
– e.g. laser GaAs : 25% eficiencia, 100 anos tempo de vida, tamanho mm, IV a VIS. 
27 
Estrutura de diodo laser de emissão de borda 
28 
Telecomunicação 
29 
Outra representação de um diodo laser 
dispoptic-2013 
30 
Laser genérico de junção pn 
dispoptic-2013 
31 
Outra visão de diodo laser 
32 
Outras configurações de 
diodos laser 
Distributed Bragg Reflector 
Distributed Feedback Laser 
dispoptic-2013 
33 
Laser DFB Distributed Feedback Laser 
dispoptic-2013 Optical Transmitter Module for 10Gbit/s Optical Communication Systems 
34 
Laser diodo de 
potência 
dispoptic-2013