Eletrônica Analógica -Física Semicondutores

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ELETRÔNICA ANALÓGICA
Prof. Dr. José Erick de S. Lima
Física 
dos 
Semicondutores
FUNDAMENTOS DA ELETRÔNICA
1. Por que a Microeletrônica?
2. Física Básica dos Semicondutores
3. Circuitos de Diodo
4. Física dos Transistores Bipolares
5. Amplificadores Bipolares
6. Física dos Transistores MOS
7. Amplificadores CMOS
2
FÍSICA BÁSICA DOS 
SEMICONDUTORES
1. Materiais semicondutores e suas 
propriedades;
2. Diodos de junção PN;
3. Ruptura reversa.
3
Física dos Semicondutores
▪ Os dispositivos semicondutores servem como um coração para
a microeletrônica.
▪ A junção PN é o dispositivo semicondutor mais fundamental. 4
Física dos Semicondutores
FÍSICA DOS SEMICONDUTORES
PORTADORES DE CARGA EM 
SEMICONDUTORES
Para entender as características IV da junção PN, é importante entender 
o comportamento dos portadores de carga em sólidos, como modificar 
densidades de portadores e diferentes mecanismos de fluxo de carga.
5
Física dos Semicondutores
TABELA PERIÓDICA
6
Esta tabela abreviada contém elementos de três a cinco elétrons
de valência, sendo o Silício o mais importante.
Física dos Semicondutores
SILÍCIO
7
Física dos Semicondutores
▪ Si tem quatro elétrons de valência. Portanto, pode formar laços
covalentes com quatro de seus vizinhos.
▪ Quando a temperatura sobe, elétrons na ligação covalente
podem se tornar livres.
DESLOCAMENTO DO PAR 
ELÉTRON-LACUNA
8
▪ Com elétrons livres quebrando ligações covalentes, lacunas são geradas.
▪ As lacunas podem ser preenchidas absorvendo outros elétrons livres,
então efetivamente há um fluxo de carregadores de carga.
Física dos Semicondutores
DENSIDADE DE ELÉTRONS LIVRES A 
UMA DETERMINADA TEMPERATURA
9
Física dos Semicondutores
▪ Eg, ou energia de “bandgap” determina quanto esforço é necessário
para quebrar um elétron de sua ligação covalente.
▪ Existe uma relação exponencial entre a densidade de elétrons livres e a
energia de “bandgap”.
3150
3100
32/315
/1054.1)600(
/1008.1)300(
/
2
exp102.5
cmelectronsKTn
cmelectronsKTn
cmelectrons
kT
E
Tn
i
i
g
i
==
==
−
=
DOPAGEM (TIPO N)
10
Física dos Semicondutores
DOPAGEM (TIPO P)
▪ Por exemplo, se Si é dopado
com P (fósforo), então ele
tem mais elétrons, ou se
torna tipo N (elétron).
O Silício puro pode ser 
dopado com outros 
elementos para mudar 
suas propriedades 
elétricas.
▪ Se o Si for dopado com B
(boro), então ele tem mais
lacunas, ou se torna tipo P.
TRANSPORTADORES DE CARGA
11
Física dos Semicondutores
DENSIDADES DE ELÉTRONS E LACUNAS
12
2
i
nnp =
Portadores Majoritários :
Portadores Minoritárias:
Portadores Majoritários :
Portadores Minoritárias:
D
i
D
A
i
A
N
n
p
Nn
N
n
n
Np
2
2




O produto das densidades de elétrons e lacunas é SEMPRE igual ao
quadrado da densidade intrínseca de elétrons, independentemente dos
níveis de dopagem.
Física dos Semicondutores
MECANISMO DE TRANSPORTE DE 
CARGA: DERIVA
13
→→
→→
−=
=
Ev
Ev
ne
ph


▪ O processo em que as partículas de carga se movem por causa de um
campo elétrico é chamado de deriva.
▪ Partículas de carga se moverão a uma velocidade proporcional ao
campo elétrico.
Física dos Semicondutores
FLUXO DE CORRENTE 
“CASO GERAL”
14
qnhWvI −=
A corrente elétrica é calculada como a quantidade de carga em v
metros que passa através de uma seção transversal se a carga viajar
com uma velocidade de v m/s.
Física dos Semicondutores
FLUXO DE CORRENTE: DERIVA
15
Física dos Semicondutores
Epnq
qpEqnEJ
qnEJ
pn
pntot
nn
)( 


+=
+=
=
▪ Uma vez que a velocidade é igual a µE, a característica de deriva é
obtida substituindo V por µE na equação geral atual
▪ A densidade total da corrente consiste em elétrons e lacunas.
SATURAÇÃO DA VELOCIDADE
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Física dos Semicondutores
E
v
E
v
b
v
bE
sat
sat
0
0
0
0
1
1





+
=
=
+
=
▪ Um tema tratado em cursos mais avançados é a saturação da
velocidade.
▪ Na realidade, a velocidade não aumenta linearmente com o campo
elétrico. Eventualmente vai saturar a um valor crítico.
MECANISMO DE TRANSPORTE DE 
CARGA: DIFUSÃO
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Física dos Semicondutores
Partículas de carga se movem de uma região de alta concentração para
uma região de baixa concentração. É análogo a um exemplo diário de
uma gota de tinta na água.
FLUXO DE CORRENTE: DIFUSÃO
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Física dos Semicondutores
dx
dn
qDJ
dx
dn
AqDI
nn
n
=
=
)(
dx
dp
D
dx
dn
DqJ
dx
dp
qDJ
pntot
pp
−=
−=
▪ Diffusion current is proportional to the gradient of charge 
(dn/dx) along the direction of current flow. 
▪ Its total current density consists of both electrons and holes.
19
L
N
qD
dx
dn
qDJ
nnn
−==
dd
n
n
L
x
L
NqD
dx
dn
qDJ
−−
== exp
O perfil de densidade de carga linear significa corrente de difusão
constante, enquanto o perfil de densidade de carga não linear
significa corrente de difusão variada.
PERFIL DE DENSIDADE DE CARGA 
LINEAR VS. NÃO LINEAR
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RELAÇÃO DE EINSTEIN
Física dos Semicondutores
Embora a física subjacente por trás das correntes de deriva e difusão
sejam totalmente diferentes, a relação de Einstein fornece uma ligação
misteriosa entre os dois.
q
kTD
=

JUNÇÃO PN (DIODO)
21
Física dos Semicondutores
Quando dopantes do tipo N e P são introduzidos lado a lado em um
semicondutor, uma junção PN ou um diodo é formado.
TRÊS REGIÕES DE OPERAÇÃO DO DIODO
22
Física dos Semicondutores
Para entender o funcionamento de um diodo, é necessário estudar suas três
regiões de operação: equilíbrio, polarização reversa e polarização direta.
FLUXO DE CORRENTE ATRAVÉS DA 
JUNÇÃO: DIFUSÃO
23
Because each side of the junction contains an excess of holes or electrons
compared to the other side, there exists a large concentration gradient.
Therefore, a diffusion current flows across the junction from each side.
Física dos Semicondutores
REGIÃO DE DEPLEÇÃO
24
Física dos Semicondutores
À medida que elétrons e lacunas livres se espalham pela junção, uma
região de íons fixos é deixada para trás. Essa região é conhecida como a
"região do depleção".
FLUXO DE CORRENTE 
ATRAVÉS DA JUNÇÃO: DERIVA
25
Os íons fixos na região de depleção criam um campo elétrico que resulta em 
uma corrente de deriva.
Física dos Semicondutores
FLUXO DE CORRENTE ATRAVÉS DA 
JUNÇÃO: EQUILÍBRIO
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Física dos Semicondutores
ndiffndrift
pdiffpdrift
II
II
,,
,,
=
=
▪ Em equilíbrio, a corrente de deriva fluindo em uma direção cancela a corrente 
de difusão fluindo na direção oposta, criando uma corrente líquida de zero.
▪ A figura mostra o perfil de carga da junção PN
POTENCIAL INTERNO
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Física dos Semicondutores
 =
−=
n
p
p
p
p
x
x
p
pp
p
dp
DdV
dx
dp
qDpEq
2
1


n
p
p
p
pp
p
pD
xVxV
dx
dp
D
dx
dV
p
ln)()(
12


=−
−=−
200
ln,ln
i
DA
n
p
n
NN
q
kT
V
p
p
q
kT
V ==
Por causa do campo elétrico através da junção, existe um potencial
embutido. Sua dedução é mostrada acima
DIODO EM POLARIZAÇÃO 
REVERSA
28
Física dos Semicondutores
Quando a região do tipo N de um diodo está conectada à um potencial maior
do que a região do tipo P, o diodo está em polarização reversa, o que resulta
em uma região de depleção mais ampla e com maior campo elétrico
embutido através da junção.
APLICAÇÃO DO DIODO POLARIZAÇÃO
REVERSA: CAPACITOR DEPENDENTE DA TENSÃO
29
A junção PN pode ser vista como um capacitor. Ao variar VR, a largura da
depleção muda, alterando seu valor de capacitância; portanto, a junção PN é
na verdade um capacitor dependente da tensão.
Física dos Semicondutores
CAPACITÂNCIA DEPENDENTE 
DA TENSÃO
30
0
0
0
0
1
2
1
VNN
NNq
C
V
V
C
C
DA
DAsi
j
R
j
j
+
=
+
=

As equações que descrevem a capacitância dependente da tensão
são mostradas acima.
Física dos Semicondutores
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Física dos Semicondutores
CAPACITÂNCIA 
CONTROLADA POR TENSÃO
LC
f
res
1
2
1

=
Uma aplicação muito importante de uma junção PN com polarização
reversaé o VCO, no qual um tanque LC é usado em um oscilador.
Mudando VR, podemos mudar C, o que também muda a frequência de
oscilação.
DIODO EM POLARIZAÇÃO 
DIRETA 
32
Física dos Semicondutores
▪ Quando a região do tipo N de um diodo está em um potencial
menor do que a região do tipo P, o diodo está em viés avançado.
▪ A largura de esgotamento é encurtada e o campo elétrico
embutido diminuiu.
PERFIL DE PORTADORES 
MINORITÁRIOS EM POLARIZAÇÃO DIRETA
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Física dos Semicondutores
Sob polarização direta, os portadores minoritárias em cada região
aumentam devido à redução do campo/potencial incorporado.
Portanto, as correntes de difusão aumentam para abastecer essas
transportadoras minoritárias.
T
ep
en
V
V
p
p
0
,
,
exp
=
T
F
fp
fn
V
VV
p
p
−
=
0
,
,
exp
CORRENTE DE DIFUSÃO NA 
POLARIZAÇÃO DIRETA
34
)1(exp
exp 0
−
T
F
T
D
p
V
V
V
V
N
n )1(exp
exp 0
−
T
F
T
A
n
V
V
V
V
N
p
)(
2
pD
p
nA
n
is
LN
D
LN
D
AqnI +=)1(exp −=
T
F
stot
V
V
II
)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
N
I
A corrente de difusão aumentará para suprir o aumento dos 
portadores minoritários. A matemática é mostrada acima.
Física dos Semicondutores
CARACTERÍSTICA I-V DA 
JUNÇÃO PN
35
A relação corrente e tensão de uma junção PN é exponencial na região
da polarização direta, e relativamente constante na região de
polarização reversa.
)1(exp −=
T
D
SD
V
V
II
Física dos Semicondutores
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JUNÇÕES PN PARALELAS
Uma vez que as correntes de junção são proporcionais à área
transversal da junção. Duas junções PN colocadas em paralelo são
efetivamente uma junção PN com o dobro da área de seção
transversal e, portanto, duas vezes a corrente.
Física dos Semicondutores
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MODELO DE DIODO DE 
TENSÃO DC
O diodo funciona como um circuito aberto se o VD< VD,on e uma
fonte de tensão DC no valor de VD,on se o VD tender à exceder o valor
de VD,on.
Física dos Semicondutores
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EXEMPLO: CÁLCULOS DE DIODO
▪ Este exemplo mostra a simplicidade proporcionada por um modelo 
de tensão constante sobre um modelo exponencial. 
▪ Para um modelo exponencial, o método iterativo é necessário para 
resolver a corrente, enquanto o modelo de tensão constante requer 
apenas equações lineares.
S
X
TXDXX
I
I
VRIVRIV ln
11
+=+=
VV
VV
X
X
1
3
=
=para
paramAI
mAI
X
X
2.0
2.2
=
=
Física dos Semicondutores
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RUPTURA REVERSA 
(BREAKDOWN)
Quando uma grande tensão de polarização reversa é aplicada,
ocorre a quebra e uma corrente enorme flui através do diodo.
Física dos Semicondutores
40
ZENER VS. AVALANCHE (BREAKDOWN)
▪ A ruptura do Zener é resultado do grande campo elétrico dentro da
região de depleção que quebra elétrons ou lacunas de suas
ligações covalentes.
▪ A ruptura do avalanche é resultado de elétrons ou lacunas
colidindo com os íons fixos dentro da região de depleção.
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