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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


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

-

-

- --

-

- -

-

-

- --

-

- -

-

-

- -

-

-

- -


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)


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)


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


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.


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


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”)


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


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


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.


Correntes do diodo,

Polarização,

Curva Característica,

Reta de Carga,

Ponto de Operação


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.


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.


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).


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.


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


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.


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)


Diodo – símbolo e sentido da corrente

p n

anodo catodo

sentido da corrente convencional


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

+


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


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


Curva característica

v

i

Região direta

Joelho

Tensão de

ruptura

Corrente

Reversa

0,7V


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


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


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


Aproximações do diodo

e Circuitos com diodos



• Primeira aproximação (Diodo ideal)

funciona como uma chave – aberta ou fechada

i

DIRETO: corrente máxima, tensão zero

v

REVERSO: tensão máxima, corrente zero



• 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



• Terceira aproximação

considera também a resistência de corpo do

diodo, após vencida a barreira de potencial

i

v0,7V

0,7V

+ -

rb


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.


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