Aula 04 - Junção PN

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 Fundamentos de Fundamentos de 
EletrônicaEletrônica
Junção PNF
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Copyright note
• Some slides from this file were 
adapted from: Jan M. Rabaey, Anantha 
Chandrakasan, and Borivoje Nikolic; 
“Digital Integrated Circuits”, Second 
Edition. Copyright 2003 Prentice 
Hall/Pearson and from Behzad Razavi, 
“Fundamentals of Microelectronics”, 
Wiley, 2007.
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Junção PN (Diodo)
• Uma junção PN é formada quando um cristal tipo N 
é colocado em contato com um cristal tipo P. 
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Corrente de difusão 
através da junção
• Como cada lado da junção contém excesso de lacunas ou 
elétrons livres com relação ao cristal oposto, existe 
um grande gradiente de concentração. Desta forma, 
haverá corrente de difusão através da junção. 
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Região de cargas
• Como elétrons livres e lacunas difundem através 
da junção, origina-se um região de íons fixos em 
cada lado. Esta região é conhecida como região 
de cargas (“depleção”). 
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Corrente de deriva 
através da junção
• Os íons fixos na região de depleção criam um 
campo elétrico que por sua vez dá origem a uma 
corrente de deriva!
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Fluxo de corrente na 
junção após o equilíbrio
• No equilíbrio, a corrente de deriva fluindo em 
uma direção cancela a corrente de difusão em 
sentido oposto. A corrente resultante é nula.
ndiffndrift
pdiffpdrift
II
II
,,
,,
=
=
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Potencial na junção
∫∫ =
−=
n
p
p
p
p
x
x
p
pp
p
dpDdV
dx
dpqDpEq
2
1
µ
µ
n
p
p
p
pp
p
pD
xVxV
dx
dpD
dx
dVp
ln)()( 12 µ
µ
=−
−=−
200 ln,ln
i
DA
n
p
n
NN
q
kTV
p
p
q
kTV ==
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Polarização reversa 
• Quando o lado N de um diodo é conectado a um 
potencial acima do potencial no lado P, diz-se 
que o diodo está reversamente polarizado. Nesta 
condição, observa-se uma ampliação na região de 
depleção e no campo elétrico através da junção.
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Capacitor dependente da 
tensão de polarização reversa
• A junção PN pode ser vista como um capacitor. 
Variando-se Vr, varia-se a largura da região de 
depleção e por conseqüência o valor da 
capacitância. Portanto, a junção PN é de fato um 
capacitor controlado por tensão. 
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Relação Tensão x 
Capacitância
0
0
0
0
1
2
1
VNN
NNqC
V
V
C
C
DA
DAsi
j
R
j
j
+
=
+
=
ε
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Voltage-Controlled 
Oscillator
LC
fres
1
2
1
pi
=
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Junção polarizada 
diretamente
• When the N-type region of a diode is at a lower 
potential than the P-type region, the diode is 
in forward bias.
• The depletion width is shortened and the built-
in electric field decreased.
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Perfil dos portadores 
minoritários
• Under forward bias, minority carriers in each 
region increase due to the lowering of built-in 
field/potential. Therefore, diffusion currents 
increase to supply these minority carriers. 
T
F
fp
fn
V
VV
p
p
−
=
0
,
,
exp
T
ep
en
V
V
p
p
0
,
,
exp
=
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Corrente de difusão na junção 
diretamente polarizada
• Diffusion current will increase in order to 
supply the increase in minority carriers. The 
mathematics are shown above.
)1(exp
exp 0
−≈∆
T
F
T
D
p V
V
V
V
Nn )1(exp
exp 0
−≈∆
T
F
T
A
n V
V
V
V
Np
)(2
pD
p
nA
n
is LN
D
LN
DAqnI +=)1(exp −=
T
F
stot V
VII
)1(exp
exp
)1(exp
exp 00
−+−∝
T
F
T
D
T
F
T
A
tot V
V
V
V
N
V
V
V
V
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Gradiente de portadores 
minoritários
• Minority charge profile should not be constant along the x-axis; otherwise, there is no concentration gradient and no diffusion current.
• Recombination of the minority carriers with the majority carriers accounts for the dropping of minority carriers as they go deep into the P or N region. 
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Resumo: junção direta
• In forward bias, there are large diffusion 
currents of minority carriers through the 
junction. However, as we go deep into the P and 
N regions, recombination currents from the 
majority carriers dominate. These two currents 
add up to a constant value. 
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Característica IxV da 
junção PN
• The current and voltage relationship of a PN 
junction is exponential in forward bias region, 
and relatively constant in reverse bias region.
)1(exp −=
T
D
SD V
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Junções PN paralelas
• Since junction currents are proportional to the 
junction’s cross-section area. Two PN junctions 
put in parallel are effectively one PN junction 
with twice the cross-section area, and hence 
twice the current.