Post on 27-Apr-2018
Física dos Semicondutores
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Resistividade
Condutor
(fácil fluxo de cargas)Semicondutor
Isolante
(difícil fluxo de cargas)
COBRE: r = 10-6 W.cmGERMÂNIO: r = 50 W.cm
SILÍCIO: r = 50 x 10-3 W.cmMICA: r = 1012 W.cm
cm.cm
cm.
L
A.R
A
LR W
Wrrr
2
Modelo de Bohr (1913)
14P
Representação bidimensional – mais simples
Núcleo tem 14P + 14N – carga total positiva
Órbita tem 14e – negativa
Os elétrons não caem no núcleo pela atração dos
prótons devido à força centrífuga de seu movimento
Tetravalente, possui 4 elétrons na última camada
(órbita de valência)
Germânio (n=32) – também é tetravalente
2-8-18-4
Exemplo: silício (n=14)
2 – 8 – 4
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Estrutura: arranjo repetitivo de átomos
Organização dos átomos de silício:
estrutura cristalina ou cristal
Cada átomo tende a ligar-se a
outros 4 para completar os 8
elétrons da última camada
(estabilizar-se).
Os átomos então compartilham
seus elétrons da órbita de
valência com outros 4 átomos
vizinhos
Ligações Covalentes – formam
um material sólido e duro - cristal
Si Si
SiSi
Si
Si
-
-
- --
-
- -
-
-
- --
-
- -
-
-
- -
-
-
- -
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Níveis de Energia no Átomo
núcleo
r1r2
r3
r1
r2
r3
ENERGIA
3º nível
2º nível
1º nível de energia
LIMITE DO NÚCLEO
são discretos e aumentam conforme a distância do elétron ao núcleo(raio orbital)
conceito válido somente para um átomo, isolado, que não sofre a
interação das demais forças do cristal)
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Bandas de Energia
cada elétron sofre influências das cargas vizinhas dentro do cristal,tendo órbitas ligeiramente diferentes, configurando a banda de energia
Representam os níveis de energia mais prováveis para os elétrons de
um cristal
r1
r2
r3
ENERGIA
1ª banda
2ª banda
Banda de Valência
Banda de Condução
Bandas preenchidas: todas as órbitas disponíveis estão ocupadas por elétrons
Exemplo: a banda de valência já está ocupada por 8 elétrons.
Exemplo: silício (temperatura ligeiramente superior a 0ºK)
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
V
Cristal de Silício puro a 25ºC
- - - - - - -
- - - - - - -
- - - - - - -
- - - - - - -
+
movimento
dos elétrons
metal
Potencial de Ionização energia necessária para remover os elétrons da última camada
Acima do zero absoluto
a energia térmica quebra algumas ligações covalentes e algunselétrons vão à banda de condução.
CAMPO ELÉTRICO CORRENTE ELETRÔNICA
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Corrente de Elétrons e Corrente de Lacunas
Ao deslocar-se um elétron para a Banda
de Condução (BC), fica na Banda de
Valência (BV) uma “ausência” de carga
negativa chamada LACUNA (hole),
representando uma carga positiva. Esta
lacuna atrai outro elétron, criando nova
lacuna, e assim por diante.
Este movimento fictício, de “cargas
positivas”, que ocorre na BV é chamado
corrente de lacunas.
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Definições
Par elétron-lacuna
Para cada elétron na BC existe uma lacuna correspondente na BV
Recombinação
Quando a órbita de condução de um átomo intercepta a órbita devalência de outro, ocasiona a volta do elétron para a BV e odesaparecimento de um par elétron-lacuna
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Definições
Material intrínseco
Material semicondutor com alto grau de pureza
Dopagem
Introdução de átomos de impurezas em um cristal intrínsecopara aumentar o número de pares elétron-lacuna
(o material dopado é chamado “Material Extrínseco”)
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Definições
Semicondutor tipo n
acrescenta-se impureza pentavalente (doadora); o elétron ‘extra’ vai para a BC.
PORTADORES MAJORITÁRIOS:elétrons da BC
PORTADORES MINORITÁRIOS:as lacunas da BV
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Definições
Semicondutor tipo p
acrescenta-se impureza trivalente (aceitadora); aumenta o número de lacunas.
PORTADORES MAJORITÁRIOS:as lacunas da BV
PORTADORES MINORITÁRIOS:os elétrons da BC
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Junção p-n
• O resultado é uma junção p-n
• Uma extremidade de um cristal de silício ou germânio pode
ser dopada como um material do tipo p e a outra extremidade
como um material do tipo n.
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Correntes do diodo,
Polarização,
Curva Característica,
Reta de Carga,
Ponto de Operação
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Junção p-n
• Uma extremidade de um cristal de silício ou germânio
dopada como um material do tipo p e a outra extremidade
como um material do tipo n.
•A construção da junção p-n resulta no dispositivo
mais simples utilizado em Eletrônica, conhecido como
Diodo de Junção.
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Junção p-n
• Lado n: os elétrons em excesso na banda de condução são
atraídos pelas lacunas na banda de valência no lado p
e atravessam a junção.
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Junção p-n
• Lado p: os elétrons que migraram do lado n recombinam-se
primeiramente com as lacunas próximas à junção,
criando íons negativos (cargas fixas no cristal).
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Junção p-n
• Cada vez que um elétron difunde-se através da
junção, gera um par de íons; estes são fixos pelas
ligações covalentes.
• Quanto maior o número de íons, menos elétrons
livres e lacunas. A região está deplecionada.
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Junção p-n
•A soma das cargas dos íons em um dos lados da junção
representa o potencial total destes íons
•A diferença entre os potenciais dos lados p e n é chamada de
Barreira de Potencial
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Correntes em um Diodo de Junção
• O movimento de cargas que ocorre naturalmente,
sem aplicação de forças externas, é chamado
Corrente de Difusão.
• O movimento de cargas que ocorre pela
aplicação de força externa (Campo Elétrico), é
chamado Corrente de Deriva.
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Diodo em
Polarização Direta • Corrente Eletrônica:
1) elétron entra na região n como
um elétron-livre (repelido pelo
potencial negativo da fonte de
alimentação);
2) atravessa a junção e recombina-
se com uma lacuna (geralmente
próxima à junção);
3) caminha pela região p como
elétron de valência (de lacuna em
lacuna, atraído pelo terminal
positivo da fonte);
4) encontra o terminal positivo da
fonte.
p
+ +
+ +
+ +
+ +
- -
- -
- -
- -
n
_
_
_
_
+
+
+
+
V
+
movimento
dos elétrons
OBS.: caminho BC BV libera energia (geralmente em forma de calor, o que causa o aquecimento do diodo quando conduzindo corrente em polarização direta)
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Diodo – símbolo e sentido da corrente
p n
anodo catodo
sentido da corrente convencional
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Diodo em
Polarização Reversa• O que ocorre:
1) elétrons da região n são atraídos
pelo terminal positivo da fonte,
deixando íons positivos;
2) lacunas da região p são atraídas
pelo terminal negativo da fonte,
deixando íons negativos;
3) o processo significa um
alargamento da camada de
depleção até que seu potencial seja
igual à tensão da fonte;
4) idealmente, não há fluxo de
corrente.
p
+ +
+ +
+ +
+ +
- -
- -
- -
- -
n
_
_
_
_
+
+
+
+
V
+
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Corrente Reversa
• Corrente de valor baixo
• 2 componentes principais:
Corrente de Portadores Minoritários (IS) – causada pela energia
térmica, que cria continuamente pares elétron-lacuna em ambos os
lados da junção.
(regra prática: IS dobra para cada aumento de 10ºC na temperatura)
Corrente de Fuga (IFS) – causada por imperfeições na superfície do
cristal, que criam caminhos ôhmicos para a corrente.
(também chamada corrente de fuga superficial)
a Corrente Reversa depende da temperatura e
da tensão reversa aplicada
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Tensão de Ruptura (VBR)
É uma tensão reversa que, aplicada ao diodo,
ocasionará uma intensa corrente reversa, que
danificará o componente por excesso de
potência.
VBR = BV = breakdown voltage
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Curva característica
v
i
Região direta
Joelho
Tensão de
ruptura
Corrente
Reversa
0,7V
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Circuito de polarização direta
Vs+
_
Rs
VR
V
I
1) I é a corrente em todos os
componentes do circuito;
2) VR = tensão sobre o resistor RS
3) V é a tensão sobre o diodo
IRVV
IRV
VVV
SS
SR
RS
.
.
Equacionamento:
Equação da Reta de Carga
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Reta de Carga
• É o conjunto de todas as possíveis combinações de
corrente e tensão para um diodo em um determinado
circuito.
0
0
S
S
S
R
VIV
VVI
2 pontos:
IRVV SS .Equação da reta de carga:
i
v
VS/RS
VS
Tensão de Corte
Corrente deSaturação
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Ponto de Operação
Traçando-se a reta de carga no mesmo gráfico da curva do diodo, há um
único ponto comum entre eles, o qual é chamado Ponto de Operação.
i
Q = Ponto de Operação
0,7
Isat =
v [volts]
[mA]
1,0 2,0 3,0
10
20
30
Vcorte =
VVV
mAR
VI
Scorte
S
Ssat
3
20150
3
:se-Calcula
EXEMPLO DE PONTO DE OPERAÇÃOSuponha um diodo com a curva característica direta apresentada e circuito com
os seguintes valores:
VS = 3V
RS = 150 W
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Aproximações do diodo
e Circuitos com diodos
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Aproximações do diodo
• Primeira aproximação (Diodo ideal)
funciona como uma chave – aberta ou fechada
i
DIRETO: corrente máxima, tensão zero
v
REVERSO: tensão máxima, corrente zero
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Aproximações do diodo
• Segunda aproximação
funciona como uma chave – aberta ou fechada,
mas considera a tensão da barreira de potencial
i
v0,7V
0,7V
+ -
DIRETO: corrente máxima, tensão VF
REVERSO: tensão máxima, corrente zero
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Aproximações do diodo
• Terceira aproximação
considera também a resistência de corpo do
diodo, após vencida a barreira de potencial
i
v0,7V
0,7V
+ -
rb
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017
Resistências do diodo
Resistência direta (RF)É a relação tensão/corrente no ponto de operação,
para um diodo diretamente polarizado.
i
Q
v
D I
DV
F
FFd
I
VR
D
D
Resistência reversa (RR)É a relação tensão/corrente para um diodo
reversamente polarizado.
Resistência dinâmica (RFd)É a resistência média de um diodo
diretamente polarizado, medida em
um intervalo de tensão e corrente
ao redor do ponto de operação.
Disciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2017