Diodo de Junção 1Cap. 3 Sedra/SmithCap. 1 Boylestad

JUNÇÃO SEMICONDUTORA

PN

Notas de Aula SEL 313Circuitos Eletrônicos 1

1o. Sem/2016Prof. Manoel

Fundamentos e Revisão de Conceitossobre Semicondutores

Semicondutores : material cuja condutividade/resistividade situa-seentre as dos materiais condutores e isolantes.

Cobre (Cu) 10-6 -cm Silício (Si) 50 103 -cm ISOLANTES 1012 -cmGermânio (Ge) 50 -cm

Material Semicondutor típico em Eletrônica

→ Silício puro (intrínseco) Z = 14(9N) 99,999999999% puro (3 camadas eletrônicas)

(11N) (célula solar) 4 elétrons de valência

→ Germânio (intrínseco) Z = 32(4 camadas eletrônicas)4 elétrons de valência

Material SemicondutorFormam estrutura cristalina regular ;Abundantes na natureza, principalmente o silício (areia);Permitem fabricação com alto grau de pureza;

-1 cm3 contem 5 1022 átomos de Si .( talvez : 500 000 000 000 impurezas )

- Na temperatura ambiente encontram-se 1,5 1010 pares elétrons/lacunas livres,portanto 1 em cada um Bilhão deátomos encontra-se ionizado.

- Para o Cobre (Cu-29)-materialcondutor 8,5 1023 átomos/cm3

átomos com um elétron livrepor átomo. (pureza 3N a 7N)

Figura 1.1 - Tabela periódica dos elementos químicos.

Figura 1.2 - Representação do Si e do Ge: (a) e (b); (c) Rede

cristalina do silício intrínseco (puro)

Material Semicondutor- Cada um dos elementos típicospossuem 4 elétrons de valência

que formarão ligações covalentes com átomos adjacentes e constituirão a rede cristalina do material.

CamadasNúcleo

Elétronsde valência

Elétrons devalência

Ligaçõescovalentes

Átomos desilício

(c)

Figura 1.3 - Rede cristalina em temperatura ambiente com pares de elétrons/lacunas livres.

Elétrons/Lacunas livres

Elétrons devalência

Elétronslivre

Lacunalivre

LigaçãoCovalentedesfeita

Ligaçãocovalente

Átomo de

silício

1,5 1010 pares de

elétrons/lacunaslivres a 300 oK

e a cadacm3.

Carga elétrica

total NULA

Figura 1.4 - Concentração e difusão de cargas.

Concentração de cargas- Havendo concentração de cargas, pode-se representar o nível de concentração de carga positivas p ( ou negativas n) de forma gráfica.

- Eliminando o efeito concentrador, ocorre Difusão de cargas até atingir um regime de distribuição uniforme e aleatória.

Con

cent

raçã

o p

Silício Dopado ou Extrínseco- A DOPAGEM visa alterar as características do material puroacrescentando controladamente impurezas que aumentarão o número deelétrons ou lacunas livres controle e alteração da condutividadefinal.

Resultado : Silício tipo P ou tipo N

-Silício Tipo P : dopagem com impurezas Trivalentes como Boro (B/5) ou Gálio (Ga/31) ou Índio (In/49).

Impureza aceitadora.Haverá excesso de Lacunas-Livres

Silício Tipo N : dopagem com impureza Pentavalente tal como Fósforo (P/15) ou Arsênio (As/33) ou Antimônio (Sb/51).

Impureza doadora (de elétrons)Haverá excesso de Elétrons-Livres

(A dopagem P ou N não afeta os 1,5 1010

portadores/cm3 do efeito térmico)

Silício Dopado ou Extrínseco

Silício Dopado ou Extrínseco

- A Dopagem é um processo tecnológico que no caso do silício

introduz-se em média 1 átomo de impureza a cada 107 átomos de Si.

- Dependendo a aplicação, a concentração final de impurezas atinge

1015 a 1017 por cm3.

Somente após este processo de Dopagem o semicondutor (silício ou

germânio) se tornam útil para os propósitos de fabricação de

componentes eletrônicos.

- Cada um dos tipos de silício dopado P ou N ainda tem carga total nula,

pois cada aceitador ou doador gera um par de cargas opostas.

Figura 1.5 - Silício tipo P.

Silício tipo P

- Um silício tipo P

apresenta

impureza trivalente

com

uma ligação covalente

incompleta (ou com

uma lacuna) e que

aceitará elétrons

livres do efeito

térmico.

Elétrons devalência

Ligaçõescovalentes Átomo de

silício

ImpurezaTrivalente

(aceitadora)

Lacuna

Figura 1.6 - Silício tipo N.

Silício tipo NElétrons de

valênciaLigações

covalentes

ImpurezaPentavalent

e(doadora)

Elétron-Livre

doado pelaimpureza

Átomode

silício

- Um silício tipo Napresenta

impureza pentavalentecom uma ligação

covalentecompleta e um elétron em excesso, que fica livre ou fracamente

ligado ao seu átomo. Este elétron pode ainda se

recombinar com lacunas livres geradas por efeito

térmico.

Figura 1.7 - Portadores majoritários e minoritários.

Portadores de carga

- No semicondutor dopado distingue-se os:

Portadores Majoritários provenientes da dopagem

Portadores Minoritários gerados termicamente

No tipo N : elétrons são Majoritários e lacunas Minoritárias

No tipo P : lacunas são Majoritárias e elétrons MinoritáriosÍons doadores Fixos Íons aceitadores Fixos

PortadoresMajoritários

Livres

PortadoresMajoritários

Livres

Portadoresminoritários

PortadoresminoritáriosTipo PTipo N

Figura 1.8 - Junção PN aberta e potencial de junção V0.

Junção PN- Resulta da junção IDEAL de dois materiais semicondutores (silício)dopados e de tipos diferentes.

Tensão deBarreira V0

Região de Depleção

Junção PN

- Devido à alta concentração de portadores majoritários livres em cadauma das partes, ocorre um fluxo de cargas positivas (lacunas) de P paraN e de cargas negativas (elétrons) de N para P.

- Próximo da junção ocorre então uma recombinação de elétrons elacunas que estabelecem então íons fixos (átomos fixos) nesta região.

- Estes íons geram por sua vez um campo elétrico com potencialpositivo na região N e negativo na região P.

-Este campo elétrico passa então a atuar como uma barreira para acontinuidade de difusão de cargas e portanto da recombinação.

Junção PN - Região de Depleção

Esta região de largura fixa e repleta de íons fixos se encontra vazia de

cargas livres, ou seja depletada de cargas livres.

Daí o nome Região de DEPLEÇÃO.

A região de depleção tem largura dependente do nível de dopagem em cada

lado e apresenta um potencial V0, que para o silício é da ordem de 0,6V a

0,8 V .

Tipicamente adota-se V0 = 0,7V.

Junção PN polarizada reversamente

- Neste caso conecta-se uma bateria com o pólo positivo na região N e o negativo na região P.

- Desta forma retira-se elétrons da região N e injeta-se elétrons na região P.

- A retirada de elétrons em N expande a região de depleção deste lado e a injeção de elétrons em P promove maior recombinação com lacunas e também expande a região de depleção neste lado.

- O efeito final é um aumento da região de depleção que aumenta a tensão de barreira e aumenta o potencial do campo elétrico.

Com isto uma corrente muito desprezível se mantém no dispositivo.

A única corrente no dispositivo é devido aos portadores minoritários

gerados termicamente e que sofrem ação do campo elétrico na região de

depleção.

O aumento da tensão reversa irá aumentar cada vez mais a tensão de

barreira e no limite irá danificar o dispositivo.

Junção PN polarizada reversamente

Figura 1.9 - Junção PN reversa.

Junção PN polarizada reversamente

Corrente de portadores minoritários

Região de Depleção

Junção PN polarizada diretamente

Neste caso o terminal positivo da bateria é ligado na região P e onegativa na região N.

Agora ocorre injeção de elétrons em N e retirada de elétrons em P.

Com mais elétrons ainda na região N e aumento de lacunas na região P

a recombinação destes na região de fronteira promove um diminuição

da largura da região de depleção.

Com isto diminui-se a tensão de barreira e o potencial do campo elétrico.

O efeito final é um aumento expressivo da corrente entre os terminais dabateria através do dispositivo.

Se a tensão da bateria superar o valor da tensão de barreira (0,6V a 0,8V)a corrente no circuito sé será limitada pela resistência interna dosemicondutor.

Para valores maiores de tensão da bateria deve-se prever um mecanismode limitação de corrente externamente (resistência externa).

Junção PN polarizada diretamente

Figura 1.10 - Junção PN direta.

Junção PN polarizada diretamente

Região de depleção

majorit.majorit.

Figura 1.11 - Diodo de Junção.

DIODO de JUNÇÃO

- É constituído da junção PN vista anteriormente e de terminais metálicos para conexões externas.

- Recebe denominação : Região N CatodoRegião P Anodo

VD = 0,7 V

CatodoAnodoCorrente

direta

Diodo Ideal- No caso ideal o diodo :

se comporta como um curto circuito se polarizado direto e como umcircuito aberto se polarizado reverso.

conduz uma corrente apenas limitada por um circuito externo ou nãoconduz nada se polarizado em modo direta ou reverso respectivamente

Figura 1.12 - Diodo Ideal.

Anodo Catodopolarização direta ...... polarização reversa

... polarização reversa polarização direta ...

Limite Imax

Limite Vmax

Diodo Ideal- Em resumo, no diodo ideal observa-se :

característica (v x i) não-linear (dois segmentos de retas);

Tensão de Barreira VD = 0V;

O diodo conduz para qualquer tensão de catodo positiva em

relação ao catodo;

EXEMPLO 01 – No caso a seguir valem as tensões e correntes

indicadas:

Polarizadodireto

Polarizadoreverso

Figura 1.13 - Modos de operação com diodo ideal.

Retificador com Diodo Ideal- EXEMPLO 02 : A operação fundamental do diodo, em função de suacaracterística não-linear, é a operação de retificação.

Um retificador básico é ilustrado a seguir tendo uma fonte de tensãoCA, um diodo ideal e uma resistência externa para limitação decorrente.

Em função do diodo a carga (resistor R) só será percorrida por umacorrente ID durante os semi-ciclos positivos da tensão da fonte CA.

Semi-ciclo positivo curto-circuitoSemi-ciclo negativo circuito aberto

Figura 1.14 - Retificador. (a) – Circuito básico; (b) – Forma de onda da tensão da fonte CA vi(t).

Retificador básico (meia-onda)

Tensão de saída(na carga R)

Tensão sob o diodo

CaracterísticaDe

Transferênciavi v0

Figura 1.15 - Operação e formas de onda do retificador.

Figura 1.16 - Retificador ideal com duas fontes.

Retificador básico- EXEMPLO 03 – Circuito com duas fontes. Avaliar intervalo decondução do diodo e valor de pico da corrente no diodo.

Solução: encontrar o instante da tensão da fonte que vale 12. Somentea partir deste instante ocorre polarização direta.

VvmAi

senarcsen

REVDD 361224 e 120100

12241202 condução Intervalo

302412 12)(24

_

Figura 1.17 - Portas lógicas OR e AND com diodos

Portas Lógicas com DiodosEm muitos casos pode-se gerar circuitos eletrônicos lógicos apenas comdiodos, tal como a seguir considerando um padrão TTL.

No primeiro caso basta uma das entradas em nível 1 (5V) que o diodoconduzirá e proporciona 5V na saída.No segundo caso a saída só será 1 (5V) se todas as três entradasestiverem em nível 1 (5V), ou seja, nenhuma corrente circulará em R e atensão 5V é vista na saída vy.

Lógica OR

Lógica AND

Figura 1.18 - Exercício 01.

Exemplos e exercícios com diodosExercício 01 : Obter V e I dos circuitos a seguir com diodo ideal.

Figura 1.19 - Exercício 02.

Exemplos e exercícios com diodosExercício 02 : Obter V e I dos circuitos a seguir com diodo ideal.

Anotações

Links para animação de fabricação de semicondutores (diodo)

http://www.ee.columbia.edu/~bbathula/courses/SSDT/lect14.pdf

Crescimento de cristal (Silício)http://www.youtube.com/watch?v=6jv6n-cV7I0&feature=related

Produção refino silíciohttp://www.youtube.com/watch?v=eypAfmrRpB0&NR=1

http://www.cleanroom.byu.edu/EW_formation.phtml

Fabricação Diodohttp://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_2/12.html

Tratamento silício Intelhttp://www.youtube.com/watch?v=aCOyq4YzBtY&feature=related

Anotações

Links para animação de junção PN

http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html

http://www.acsu.buffalo.edu/~wie/applet/pnformation/pnformation.html

http://pvcdrom.pveducation.org/SEMICON/PN.HTM

http://www.st-andrews.ac.uk/~www_pa/Scots_Guide/info/comp/passive/diode/diode.htm

http://www.youtube.com/watch?v=W6QUEq0nUH8&feature=related

Bibliografia

Conteúdo:

SEDRA - Pgs. 130 a 148

MALVINO - Pgs. 29 a 74

BOYLESTAD - Pgs. 1 a 7