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20/11/2013 1 Materiais e Diodos Semicondutores (Materiais semicondutores tipo N e tipo P, Dopagem, Características das junções P-N) Universidade Estadual de Feira de Santana Departamento de Tecnologia Área de Eletrônica e Sistemas Prof. João Bosco Gertrudes e-mail: jbosco@ecomp.uefs.br; jbosco@dsce.fee.unicamp.br Atendimento em sala: terças e quintas das 14:30h as 15:30h TEC 500 – Circuitos Elétricos e Eletrônicos 2013.2 Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Semicondutor: � Material que tem um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e de um condutor. � Condutor: material que sustenta um grande fluxo de carga ao se aplicar, através de seus terminais, uma fonte de tensão de amplitude limitada. � Isolante: material que oferece um nível muito baixo de condutividade quando submetido a uma fonte de tensão. � Resistividade (inverso da condutividade do material): � Onde R é a resistência em ohms, A é a área da superfície incidente, e l é o comprimento. Valores Típicos de Resistividade e condutividade Condutor Semicondutor Isolante Cobre: ρ≅ρ≅ρ≅ρ≅ 10-6 ΩΩΩΩ-cm σ σ σ σ ≅≅≅≅106 S/cm Germânio: ρ≅ρ≅ρ≅ρ≅ 50 ΩΩΩΩ-cm σ σ σ σ ≅≅≅≅ 2.10-2 S/cm Mica: ρ≅ρ≅ρ≅ρ≅ 1012 ΩΩΩΩ-cm σ σ σ σ ≅≅≅≅ 10-12 S-cm Silício: ρ≅ρ≅ρ≅ρ≅ 50x103 ΩΩΩΩ-cm σ σ σ σ ≅≅≅≅ 2.10-5 S/cm 20/11/2013 2 Materiais Semicondutores (Ge e Si)Materiais Semicondutores (Ge e Si)Materiais Semicondutores (Ge e Si)Materiais Semicondutores (Ge e Si) � Semicondutor: � O Germânio (Ge) e o Silício (Si) não são os únicos semicondutores, mas são os mais utilizados no projeto dos dispositivos semicondutores. � O Silício é muito mais utilizado. � Ge e Si (Características): � Podem ser fabricados com alto nível de pureza. � Possuem a capacidade de alteração radical das características por meio do processo de dopagem. � As características também podem ser alteradas pela aplicação de calor ou luz . � As qualidades se devem a suas estruturas atômicas, pois seus átomos formam um modelo bem preciso e periódico por natureza. � Estrutura de cristal singular. � A Periodicidade não se modifica de maneira significativa com a adição de impurezas no processo de dopagem. � Possuem 4 elétrons na última órbita do átomo: Ge – 32 elétrons e Si – 14 elétrons. Materiais Materiais Materiais Materiais Semicondutores (Ge e Si)Semicondutores (Ge e Si)Semicondutores (Ge e Si)Semicondutores (Ge e Si) � Semicondutor: � Ge e Si: seus modelos de estrutura atômica são mostrados na figura 1, (a) Ge e (b) Si. Possuem 4 elétrons na última órbita do átomo: Ge – 32 elétrons e Si – 14 elétrons. Figura 1 20/11/2013 3 Materiais Materiais Materiais Materiais Semicondutores (Ge e Si)Semicondutores (Ge e Si)Semicondutores (Ge e Si)Semicondutores (Ge e Si) � Semicondutor: � Os 4 elétrons na camada mais externa (valência) são compartilhados (ligação covalente) na estrutura do material. � O potencial de ionização necessário para liberar qualquer um desses quatro elétrons de valência é menor do que o necessário para liberar qualquer outro elétron da estrutura. � Ligação covalente: é uma ligação mais forte entre os elétrons de valência e seus átomos, onde existe um compartilhamento de elétrons entre os átomos. Figura 2 Materiais Materiais Materiais Materiais Semicondutores (Ge e Si)Semicondutores (Ge e Si)Semicondutores (Ge e Si)Semicondutores (Ge e Si) � Semicondutor: � Os elétrons de valência podem absorver energia cinética suficiente, de fatores naturais, para a quebra da ligação e assumir o estado livre. � O termo livre se refere ao fato de serem bastante sensíveis a campos elétricos. � Materiais intrínsecos: são semicondutores cuidadosamente refinados para se obter a redução de impurezas a um nível muito baixo � É necessário tecnologia de ponta e Laboratórios Sofisticados nesse processo! � Os elétrons livres são os portadores intrínsecos. � Um aumento de temperatura em um semicondutor pode resultar em um aumento substancial do número de elétrons livres. � O Ge e o Si apresentam redução da resistência com o aumento da temperatura (possuem coeficiente de temperatura negativo). 20/11/2013 4 Materiais Semicondutores Materiais Semicondutores Materiais Semicondutores Materiais Semicondutores (Ge e Si)(Ge e Si)(Ge e Si)(Ge e Si) � Níveis de Energia: � Na estrutura atômica isolada há níveis de energia discretos (individuais) associados a cada elétron em órbita, figura 3. � Quanto mais longe o elétron estiver do núcleo, maior será o estado de energia, e qualquer elétron que tiver deixado seu átomo de origem apresentará um estado de energia maior do que qualquer outro na estrutura atômica. Figura 3 Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Níveis de Energia: � A energia associada a cada elétron é medida em elétron-volt: W = QV � 1 eV (elétron-volt) =1,6x10-19 J � Eg é o gap de energia. (temperatura ambiente 25o) Figura 4 20/11/2013 5 Materiais Tipo NMateriais Tipo NMateriais Tipo NMateriais Tipo N � Materiais Extrínsecos –Tipos n e p: � As características dos materiais semicondutores podem ser consideravelmente alteradas pela adição de determinados átomos de impurezas no material semicondutor relativamente puro. � Material extrínseco: é o material semicondutor submetido ao processo de dopagem. � Processo que exige tecnologia de ponta e laboratórios com características peculiares para o processo. � Material do tipo n: São introduzidos átomos de impurezas que têm 5 elétrons de valência, como o antimônio, o arsênio e o fósforo. Figura 5 Átomo Doador Materiais Tipo NMateriais Tipo NMateriais Tipo NMateriais Tipo N � Materiais Extrínsecos –Tipos n e p : � O 5º elétron é dissociado de qualquer ligação covalente em particular, ficando relativamente livre para se mover dentro do material tipo n. � As impurezas são chamadas de átomos doadores. � O material continua eletricamente neutro. Figura 6 20/11/2013 6 Materiais Tipo PMateriais Tipo PMateriais Tipo PMateriais Tipo P � Materiais Extrínsecos –Tipos n e p : � Material Tipo p: São introduzidos átomos de impurezas que têm 3 elétrons de valência, como o boro, o gálio e o índio. Figura 7 Átomo Aceitador Materiais Tipo PMateriais Tipo PMateriais Tipo PMateriais Tipo P � Materiais Extrínsecos –Tipos n e p : � Há agora um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes. � O espaço vazio resultante é chamado de lacuna e é representado por um pequeno círculo ou sinal positivo devido à ausência de uma carga negativa. � A lacuna resultante aceitará rapidamente um elétron livre. � As impurezas difundidas com três elétrons de valência são chamadas átomos aceitadores. � Fluxo de elétrons versus lacuna � O sentido convencional é o fluxo de lacuna. Figura 8 20/11/2013 7 Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Materiais Extrínsecos –Tipos n e p : � Portadores Majoritários e Minoritários � No estado intrínseco, o número de elétrons livres no Ge ou no Si deve-se apenas aos poucos elétrons na banda de valência que adquiriram energia suficiente para quebrar a ligação covalente ou às poucas impurezas que não puderam ser removidas. � Material tipo n: o elétron é o portador majoritário e a lacuna, o portador minoritário. � Íon doador: perde o 5º elétron Figura 9 Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Materiais Extrínsecos –Tipos n e p : � Material tipo p: a lacuna é o portador majoritário e o elétron, o portador minoritário. � Íon aceitador: ganha 1 elétron Figura 10 20/11/2013 8 Junções PJunções PJunções PJunções P----NNNN� Junção p-n � Os materiais dos tipos n e p representam os blocos básicos de construção dos dispositivos semicondutores. � Quando os materiais são unidos, os elétrons e as lacunas da região de junção se combinam (ou se atraem), resultando em uma ausência de portadores livres na região próxima à junção. � Essa região descoberta constituída de íons positivos e negativos é chamada de região de depleção devido à depleção de portadores nessa região. Figura 11 Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Junção p-n � Sem polarização � Todas as lacunas (minoritário) no material tipo n que se encontrarem na região de depleção passarão diretamente para o material do tipo p. � Quanto mais próximo da junção, maior será a atração para a camada de íons negativos e menor a oposição dos íons positivos na região de depleção do material do tipo n. � Podemos dizer o mesmo para os elétrons no material tipo p. Figura 11 20/11/2013 9 Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Junção p-n � Sem polarização � Os elétrons (majoritários) no material tipo n estão sujeitos às forças atrativas da camada de íons positivos no material tipo n e o campo repulsivo dos íons negativos do material tipo p para atravessarem a região de depleção. � O número de portadores majoritários é grande e poucos terão energia suficiente para passar pela região de depleção. � O mesmo pode se dizer sobre as lacunas no material tipo p. Figura 11 Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Junção p-n � Sem polarização � O fluxo resultante em cada direção é zero. As amplitudes dos vetores de fluxo de elétrons e lacunas são diferentes. � Na ausência de uma tensão de polarização, o fluxo de carga em qualquer sentido em uma junção p-n é zero. Figura 11 20/11/2013 10 Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Junção p-n � Polarização Reversa (VD < 0 V) � Uma tensão é aplicada a junção p-n de maneira que o terminal positivo esteja conectado ao material do tipo n e o terminal negativo esteja ligado ao material tipo p. � O número de íons positivos não-combinados na região de depleção do material do tipo n aumentará devido ao grande número de elétrons livres arrastados para o potencial positivo da tensão aplicada. � O mesmo acontece com os íons negativos no material tipo p. Figura 12 Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Junção p-n � Polarização Reversa (VD < 0 V) � A região de depleção aumenta. � O fluxo de portadores majoritários diminui bastante, chegando a zero. � Não há mudança no fluxo dos portadores minoritários. � Haverá uma corrente chamada de corrente de saturação reversa, Is. (muito baixa: nano a micro ampères) Figura 12 20/11/2013 11 Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Junção p-n � Polarização Direta (VD > 0 V) � Aplica-se o potencial positivo ao material tipo p e o potencial negativo ao tipo n. � Este potencial forçará os elétrons do material tipo n e as lacunas no material tipo p a se recombinarem com os íons próximos da fronteira e o resultado é a redução da da região de depleção. Figura 13 Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Junção p-n � Polarização Direta (VD > 0 V) � O fluxo de portadores minoritários não muda. � A redução da região de depleção aumenta o fluxo dos portadores majoritários através da junção. � O elétron no material tipo n tem uma barreira reduzida e uma forte atração pelo potencial positivo aplicado ao material tipo p. Figura 13 20/11/2013 12 Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Junção p-n � Polarização Direta (VD > 0 V) � A corrente aumenta exponencialmente. � Is = corrente de saturação reversa. � � Com ηηηη = 1 para o Ge e ηηηη = 2 para o Si (abaixo do joelho da curva), e ηηηη = 1 para Ge e Si (trecho em que a curva acentua-se rapidamente). � � A tensão térmica (VD) é da ordem de 25mV na temperatura ambiente de 25°C. Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Junção p-n � Polarização Direta (VD > 0 V) Figura 14 20/11/2013 13 Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Junção p-n � Região Zener � Se VD aumentar muito negativamente, a velocidade dos portadores minoritários responsáveis pela corrente de saturação reversa Is também aumenta. � Eventualmente, sua velocidade e energia cinética associada (EC = mv2/2) será suficiente para liberar portadores adicionais através das colisões com estruturas atômicas estáveis. � O resultado é um processo de ionização, pelo qual elétrons de valência absorvem energia suficiente para deixarem o átomo de origem. � Estes portadores adicionais podem ajudar no processo de ionização, até que uma alta corrente de avalanche seja estabelecida e a região de ruptura de avalanche determinada. Materiais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais SemicondutoresMateriais Semicondutores � Junção p-n � Região Zener � O potencial que resulta desta mudança brusca é chamado potencial Zener (VZ). � PIV: potencial máximo de polarização reversa que pode ser aplicado antes de entrar na região Zener. (tensão de pico reversa). 20/11/2013 14 Diodo Ideal x Diodo Semicondutor DiodosDiodosDiodosDiodos � Diodo Ideal: � O diodo ideal é um dispositivo de dois terminais. � Seu símbolo e sua curva característica são mostrados nas figuras 1(a) e 1(b), respectivamente. Figura 1 20/11/2013 15 DiodosDiodosDiodosDiodos � Diodo Ideal: � A função básica de um diodo é conduzir corrente no sentido definido pela seta no símbolo e agir como um circuito aberto para qualquer tentativa de estabelecer corrente no sentido oposto. � As características de um diodo ideal são as de uma chave que teria a capacidade de conduzir corrente em um único sentido. � Um dos parâmetros importantes do diodo é a resistência no ponto ou região de operação. � Considerando a região de condução direta, o valor da resistência direta RF é: � Em que VF e IF são a tensão e corrente diretas no diodo, respectivamente. � Portanto, o diodo ideal se comporta como um curto-circuito na região de condução DiodosDiodosDiodosDiodos � Diodo Ideal: � Considerando a região de potencial negativo aplicado, o valor da resistência reversa RR é: � Em que VR e IR são a tensão e corrente reversas no diodo, respectivamente. � Portanto, o diodo ideal se comporta como um circuito aberto na região de não- condução. 20/11/2013 16 DiodosDiodosDiodosDiodos � Diodo Ideal: Figura 2 DiodosDiodosDiodosDiodos � Diodo Ideal: � Para determinar se um diodo está na região de condução ou não-condução, observa-se o sentido da corrente ID estabelecido pela tensão aplicada. � Se a corrente resultante tem o mesmo sentido que a seta do símbolo do diodo, este opera na região de condução (figura 3 (a)). � Se não, o circuito aberto equivalente é apropriado (figura 3 (b)). Figura 3 20/11/2013 17 DiodosDiodosDiodosDiodos � Diodo Ideal: � Até que ponto a resistência direta, que é a resistência no estado “ligado”, de um diodo real é equivalente ao valor desejado de 0 ΩΩΩΩ? � A resistência de polarização reversa é grande suficiente para permitir uma aproximação de circuito aberto? DiodosDiodosDiodosDiodos � Diodo Semicondutor: � O diodo semicondutor nada mais é que uma junção p-n Figura 420/11/2013 18 DiodosDiodosDiodosDiodos � Diodo Semicondutor: � Silício versus Germânio � Em geral, diodos de silício apresentam especificações de PIV (tensão de pico reversa) e correntes mais altas e faixas de temperatura maiores do que os diodos de germânio. � PIV (Ge): 400 V e temperatura 100°C � PIV (Si): 1000V e temperatura 400°C. � A desvantagem do Si é que sua tensão de polarização direta necessária para a condução é maior: Si (0,7V) e Ge (0,3V) (figura 5). � Este potencial é chamado de tensão de limiar e é dado por VT. DiodosDiodosDiodosDiodos � Diodo Semicondutor (Ge x Si): Figura 5 20/11/2013 19 DiodosDiodosDiodosDiodos � Diodo Semicondutor: � Efeitos da Temperatura: � A corrente de saturação reversa IS terá sua amplitude dobrada para cada aumento de 10oC para o caso do Si. � IS do Germânio é muito maior. Por isso os dispositivos de Si tiveram maior desenvolvimento. Figura 6 DiodosDiodosDiodosDiodos � Diodo Semicondutor: � Valores de Resistência: � Conforme o ponto de operação de um diodo se move de uma região para outra, a resistência dele se altera devido à forma não-linear da curva característica. � O tipo de sinal aplicado define o valor da resistência de interesse. � Resistência CC ou Estática: � O ponto de operação não se altera com o tempo. � Determina-se com VD e ID: � Quanto mais baixo o valor da corrente que passa pelo diodo, mais alto é o valor de resistência cc. 20/11/2013 20 Diodos � Diodo Semicondutor: Figura 7 Diodos � Diodo Semicondutor: � Exemplo 1: Determine os valores de resistência do diodo cuja curva é mostrada na figura 8, para: (a) ID = 2mA, (b) ID = 20mA, (c) VD = -10 V. � Solução: � (a) Em ID = 2mA, VD = 0,5 V � (b) Em ID = 20mA, VD = 0,8 V � (c) Em VD = -10V, ID = -IS = -1µA Figura 8 20/11/2013 21 Diodos � Diodo Semicondutor: � Resistência CA ou Dinâmica: � Se ao invés de uma entrada cc, for aplicada uma senóide, a situação mudará totalmente. � A entrada variável moverá o ponto de operação instantâneo para cima e para baixo. Figura 9 Diodos � Diodo Semicondutor: � Sem um sinal de tensão aplicada, o ponto de operação seria o ponto Q (quiescente), que aparece na figura 9. � A reta tangente à curva no ponto Q, figura 10, define uma variação particular da tensão e da corrente que pode ser utilizada para determinar a resistência ca ou dinâmica para essa região na curva do diodo. � Em geral, quanto mais baixo o ponto Q, mas alta a resistência ca. Figura 10 20/11/2013 22 Diodos � Diodo Semicondutor: � A equação de corrente do diodo semicondutor é dada por � Se fizermos a derivada de ID com relação a VD: � Como ID >> IS Diodos � Diodo Semicondutor: � Como � Substituindo ηηηη =1 na região de inclinação vertical da curva característica, K =11.600. � Na temperatura ambiente: � logo, � Como � Pode-se perceber que só há necessidade do valor da corrente no ponto de operação. (1) e 20/11/2013 23 Diodos � Diodo Semicondutor: � Contudo, como ηηηη =1, a equação só pode ser aplicada na região de aumento vertical da curva para o Si. � A equação (1) diz respeito apenas à junção p-n. Contudo há a resistência do material semicondutor (resistência de corpo) e da conexão entre o material semicondutor e o condutor metálico externo (resistência de contato), rB. � O valor de rB varia de 0,1Ω a 2Ω � Para a região de polarização reversa, o diodo é aproximado a um circuito aberto. Diodos � Diodo Semicondutor: � Resistência CA Média � Para um sinal suficientemente grande como o da figura 11, a resistência associada é chamada resistência CA média. � É dada pela reta traçada entre as duas intersecções estabelecidas pelos valores máximos e mínimos da tensão de entrada. Figura 11 20/11/2013 24 Diodos � Diodo Semicondutor: � Circuitos Equivalentes do Diodo � Um circuito equivalente é uma combinação de elementos corretamente selecionados para melhor representar as características reais de um dispositivo, um sistema ou uma região específica de operação. � Com o circuito equivalente podemos substituir o símbolo do dispositivo, e o circuito pode ser resolvido aplicando as técnicas tradicionais de análise de circuitos. Diodos � Diodo Semicondutor: � Circuito equivalente linear por partes � Aproximação por segmentos de reta 20/11/2013 25 Diodos � Diodo Semicondutor: � Circuito equivalente linear por partes � Os seguimentos de reta não resultam em uma representação exata (principalmente na região do joelho), mas é uma boa 1ª aproximação das condições reais. � Para a região de inclinação da curva equivalente, a resistência ca média é o valor de resistência que aparece no circuito equivalente, definindo o valor de resistência do dispositivo no estado ligado: � Um diodo de silício só atinge a condução quando VD atinge 0,7V com polarização direta. Assim, uma bateria VT em direção oposta à de condução aparece no circuito equivalente. � Para um diodo de silício, se IF = 10mA para VF = 0,8 V, então Diodos � Diodo Semicondutor: � Circuito equivalente simplificado � Como rav é muito pequena, ela pode ser desprezada, e a curva fica. 20/11/2013 26 Diodos � Diodo Semicondutor: � Circuito equivalente ideal � Se desprezarmos VT = 0,7 V, já que o mesmo é muito pequeno para algumas aplicações. Diodos � Diodo Semicondutor: � Folhas de Dados � Os dados sobre dispositivos semicondutores específicos normalmente são fornecidos pelo fabricante de forma simplificada ou mais detalhada. � Alguns dados sempre devem ser incluídos: 1. A tensão direta máxima VF (em corrente e temperatura específicas) 2. A corrente direta máxima IF (a uma temperatura específica) 3. A corrente de saturação reversa IR 4. A tensão reversa nominal (PIV ou PRV, ou V(BR), em que BR vem do termo ruptura – a uma temperatura específica) 5. O valor máximo de dissipação de potência a uma temperatura específica 6. Valores de capacitância 7. Tempo de recuperação reversa 8. Faixa de temperatura de operação 20/11/2013 27 Diodos � Diodo Semicondutor: � Folhas de Dados � Dependendo do tipo de diodo utilizado, pode-se fornecer dados adicionais, tais como: faixa de freqüência, nível de ruído, tempo de chaveamento, etc. � A potência máxima é dada por � Utilizando o modelo simplificado, VD = 0,7 V (Si) Diodos � Diodo Semicondutor: � Folhas de Dados 20/11/2013 28 Diodos � Diodo Semicondutor: � Capacitâncias de Transição e Difusão Diodos � Diodo Semicondutor: � Tempo de Recuperação Reversa 20/11/2013 29 Diodos � Diodo Semicondutor: � Teste do Diodo Diodos � Diodo Semicondutor: � Notação 20/11/2013 30 Diodos � Diodo Semicondutor: � Diodos Zener Região de operação do diodo Zener VZ é a tensão nominal Zener Diodos � Diodo Semicondutor: � Diodos Zener: Sentido de Condução � Para o diodo semicondutor, o estado ligado corresponde a uma corrente no sentido da seta. � Para o diodo Zener, o sentido de condução é oposto ao da seta. � Valores de potenciais Zener típicos de 1,8V a 200V, com potências de ¼ a 50W. (a) Diodo Zener (b) Diodo semicondutor 20/11/2013 31 Diodos � Diodo Semicondutor: � Diodos Zener: Circuito Equivalente (operando na região Zener) � O circuito equivalente completo do diodo Zener inclui uma resistência dinâmica, e uma bateria com mesmo valor do potencial Zener. � Considerando que os resistores externos são muito maiores que o resistor Zener equivalente, o modelo aproximado é mais utilizado. (a) Completo (b) aproximadoCircuito Equivalente: Diodos � Diodo Semicondutor: � Diodos Emissores de Luz (LED) � Recombinação de elétrons e lacunas na junção � Estediodo quando diretamente polarizado emite fótons, que podem estar no espectro visível. � Energia na forma de calor e fótons � Fosfeto de arsenieto de gálio (GaAsP) ou fosfeto de gálio (GaP): luz visível. � VD na faixa de 1,7 V a 3,3 V. � Símbolo