Slide 1. tensão campo elétrico, E, corrente densidade de corrente, J, resistência resisitividade.

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1 Slide 1 Lei de Ohm Olhe mais uma vez a Lei de Ohm, V=IR, do ponto de vista dos materiais. Reescreva como uma lei que é válida para todos os pontos dentro de um material, portanto substituímos tensão campo elétrico, E, corrente densidade de corrente, J, resistência resisitividade. Condutividade (moh/cm) resistividade (ohm cm) área transversal comprimento resistência do objeto Aplique a equação relacionada ao objeto em um ponto específico Semicondutores 1 Para introduzir semicondutores, é útil começar pela revisão dos condutores. Existem duas perspectivas que podemos assumir ao explorarmos a condução, Podemos pensar em dispositivos e, dessa forma, estaríamos interessados em propriedades de massa (tensão, resistência, etc) Ou (2) Podemos pensar em materiais e, dessa forma, assumirmos uma visão microscópica em termos de campo elétrico, densidade de corrente, etc. Primeiro, observamos os materiais dos semicondutores, de forma que a segunda perspectiva é melhor. Em seguida, introduziremos dispositivos compostos de semicondutores.

2 Slide 2 Condutores, semicondutores e isolantees ρ resistividade (ohm cm) A área transversal l comprimento R resistência da amostra escala log de condutividade (S) Prata cobre grafite Germânio σ condutividade (mho/cm) 1 siemen (S) = 1 mho/m silício borracha vidro teflon Semicondutores 2 As propriedades elétricas CC de materiais podem ser expressas em termos de condutividade, que é o inverso da resistividade, expressa em Siemens (ou mho/m). O gráfico à direita mostra a gama de condutividades para materiais comuns. Aqui, estamos interessados principalmente no silício, que é um condutor bem fraco.

3 Slide 3 Estrutura de banda permitida proibida preenchida Bandas de energia metal isolante semicondutor um isolante tem todos os seus elétrons ligados como elétrons de valência, e há um grande salto de energia para libertá-los. um metal tem uma banda parcialmente preenchida que permite a mobilidade de elétrons. um semi-condutor tem um pequeno vão de banda entre a banda de valência preenchida e a banda de condução. Assim, por um pequeno acréscimo de custo, o material irá conduzir Semicondutores 3 As propriedades de condução de um material puro podem ser diretamente relacionadas à estrutura dos elétrons do material. Como você se lembra de suas aulas de química e física, a estrutura dos elétron é composta de uma série de níveis de energia que os elétrons preenchem de forma sistemática. Um metal tem uma banda parcialmente preenchida de níveis de energia, fornecendo, assim, liberdade para que os elétrons se movam entre eles, movendo-se, dessa forma, através do material. Um isolante tem uma banda completamente preenchida portanto um grande vão de energia antes da próxima banda subjacente vazia mais baixa. Os elétrons podem se mover apenas se adquirirem a energia necessária para saltar para esse conjunto de níveis vazios. Quanto maior for o espaçamento de energia, mais difícil é conseguir isso e, conseqüentemente, melhor o isolante. Os semicondutores têm bandas preenchidas, como um isolante, mas com um vão de banda relativamente pequeno para os níveis não-preenchidos subjacentes mais baixos. Assim, alguns elétrons podem ter a energia para fornecer mobilidade. É claro que a energia média de um elétron é uma função da temperatura e, dessa forma, a condutividade é uma função da temperatura.

4 Slide 4 Silício e semicondutores o silício é abundante, e pode ser cultivado como um cristal grande e bastante puro. a condutividade do silício puro é bastante baixa, todos os elétrons se ligam como elétrons de valência. é fácil formar uma cadeia de óxido em Si, e a condutividade desse vidro é extremamente baixa (é um isolante muito bom). Si pode ser dopado para adicionar elétrons ou lacunas como condutores Semicondutores 4 O silício é um excelente material para aplicações de semicondutores. Primeiro, a condução é bastante baixa para silício puro. Não é zero, mas, acima de tudo, você pode pensar no silício como uma gama de átomos ligados de forma bivalente. Da mesma forma, o silício pode ser altamente purificado, de forma que quaisquer impurezas que sejam intencionalmente colocadas no silício dominarão facilmente defeitos não-intencionais. Finalmente, embora o silício sejam um condutor ruim, o dióxido de silício (vidro) é um isolante muito bom. Muitas das vantagens de se usar silício estão associadas ao processamento extremamente preciso que tem sido projetado ao longo dos últimos 50 anos.

5 Slide 5 Condutividade Intrínseca do Silício a condutividade é expressa em termos de: as densidades do portador, n i e p i (número intrínseco de portadores de elétron e lacunas) e, a carga dos portadores (carga do elétron e = 1,6 x Coulombs). µ, mobilidade do portador. para Si: a 300ºK: n i = p i = 1, σ = 4, S Semicondutores 5 A condutividade intrínseca do silício vem em duas formas: O movimento dos elétrons, E o movimento das lacunas (locais vazios esperando um elétron). Como uma analogia, você pode pensar nos átomos como uma gama de baldes, e nos elétrons como bolas colocadas nos baldes. Se há muitos baldes vazios e apenas algumas bolas, você poderia manter o controle da distribuição anotando as localizações das bolas. Por outro lado, se há muitas bolas e apenas alguns baldes sem, então é mais eficaz anotar quais baldes estão vazios em vez de tentar manter controle de todas as bolas. Em qualquer caso, são as bolas que se movem, contudo. Observe também que, já que os elétrons estão se movendo se há apenas algumas vagas, então, para um movimento aparente de uma lacuna, muitos elétrons devem se mover e, assim, não é surpreendente que a mobilidade das lacunas seja mais baixa que a dos elétrons. Claramente, o entendimento total disso exige mecânica quântica, e não devemos nos ater muito firmemente a esse quadro, que somente é dado para motivar que o comportamento é razoável.

6 Slide 6 silício dopado do tipo n Substituindo-se uma pequena quantidade de Si por outra espécie atômica, podemos mudar drasticamente a condutividade. Por exemplo, P ou As (e outros elementos do grupo V) têm cinco elétrons de valência (em vez das quatro do silício) e, dessa forma, em elétron extra (além do necessário para a ligação) está disponível para cada átomo substituído. Tais materiais dopados são chamados de tipo n para o portador de carga negativa. elétron extra Semicondutores 6 O poder real de se usar silício é superfíciedo de sua dopagem, adicionando pequenas quantidades de outros elementos para mudar drasticamente a condutividade. O silício tem quatro elétrons de valência externos e, assim, gostaria de participar de quatro ligações covalentes. Dopando-se esses elementos que possuem mais ou menos elétrons de valência, os elétrons ou lacunas extras (falta de elétrons) fornecem um portador para condução. O fósforo, e outros elementos de grupo V, possuem cinco elétrons de condução e, assim, quando adicionados dopados como impurezas ao silício, introduzem portadores de elétrons. Tais materiais são chamados de tipo n, já que a maioria dos portadores são de carga negativa (um elétron).

7 Slide 7 silício dopado do tipo p Dopando-se Si com um elemento do grupo III, como B ou Ga (que possuem apenas 3 elétrons de valência), nós criamos uma lacuna. A lacuna é um poço em potencial para o qual um elétron pode se mover. Tais materiais dopados são chamados de tipo p, de portador de carga positiva. Observe que os elétrons ainda se movem, mas as lacunas são exclusivas, e são elas que parecem se mover. Observe também que tanto materiais do tipo n quanto do tipo p possuem carga neutra. elétron faltante lacuna Semicondutores 7 O boro, e outros elementos do grupo III, possuem apenas 3 elétrons de valência e, dessa forma, quando adicionados ao silício, introduzem portadores de lacunas (ausência de elétrons). Esses são chamados de tipo P, já que o tipo de portador eficaz pode ter carga positiva. É importante reconhecer que, embora as impurezas estejam adicionando portadores e, assim, variando significativamente a condutividade do material composto, elas não estão mudando a carga. Os aditivos são adicionados como neutros, e os materiais globais permanecem eletricamente neutros. É exatamente dessa mesma forma que um bom condutor (digamos o cobre), também é neutro.

8 Slide 8 silício dopado Banda de condução vazia níveis de doador tipo n níveis de receptor Banda de valência preenchida semicondutor dopado tipo p A dopagem de um semicondutor introduz níveis no vão normalmente proibido entre as bandas de valência e condução. As propriedades mais interessantes desse novos materiais provêem da interação dos portadores de carga na interface (junção) entre materiais do tipo n e p Semicondutores 8 Do ponto de vista da física de estado sólido, o efeito da dopagem é introduzir níveis de energia no vão de banda entre a banda de valência preenchida de silício e a banda de condução de nível mais alto. Esses níveis de doador e receptor reduzem de forma eficaz o vão de banda e tornam a condução mais fácil. O termo doador é decorrente do fato de que nos, materiais do tipo N, cada átomo dopador doa um elétron. De forma semelhante, o termo receptor existe porque, nos materiais do tipo P, cada átomo dopador aceita um elétron (ou é uma lacuna).

9 Slide 9 semicondutor extrínseco (dopado) Em semicondutores dopados, a concentração de impurezas típica é de átomos de doador ou receptor por m 3. Isso gera concentrações de 5-6 ordens de magnitude mais altas que os condutores intrínsecos no silício. Portanto, o número de portadores livres é bastante próximo ao nível de dopagem. Uma relação importante para qualquer semicondutor dopado é*: (nº de portadores de elétron) X (nº de portadores de lacuna) = (nº de elétrons intrínsecos) 2 Portanto, a dopagem de um semicondutor reduz a concentração de portadores minoritários: a condução se dá principalmente pelo portador de impureza. ; semicondutor do tipo n ; semicondutor do tipo p *A demonstração disso está além dessa classe, exigindo estatística de Boltzmann e física de estado sólido Semicondutores 9 Esse é um ponto pequeno, mas a mensagem a se lembrar é que, em semicondutores dopados, a ação ocorre com o portador de impurezas. Assim, no tipo N, os materiais dopados seguem os elétrons e, no tipo P, os materiais dopados seguem as lacunas.

10 Slide 10 semicondutor extrínseco (dopado) Calcule a condução de silício dopado com arsênico e índio a átomos por m 3. O arsênico é um aditivo do tipo N. O índio é um aditivo do tipo P. lembre-se de que a condutividade intrínseca do silício é muito mais baixa. Observe também que a densidade atômica do silício é Semicondutores 10 O ponto a ser lembrado é: A condutividade é uma função da concentração dopagem, Materiais dopados terminam com a condutividade aproximada do grafite (bons condutores com a condutividade aproximada de um resistor de baixo valor). Materiais do tipo P e N possuem diferentes condutividades. Mesmo em um material fortemente dopado, o aditivo ainda só está presente em níveis de partes por milhão.

11 Slide 11 Junção PN Uma junção de silício dopado do tipo P e N. Distribuição de carga livre instável íon do receptor ligado lacuna livre íon do doador ligado elétron livre Distribuição de carga estável As cargas opostas nos dois lados da junção combinam e eliminam a liberação de um certo grau de energia. O dispositivo é, no geral, neutro, mas agora há um campo elétrico através da junção Semicondutores 11 O interesse nos semicondutores é como eles se comportam quando você une dois ou mais deles. Um condutor dopado é, por si só, apenas um resistor, e existem formas muito mais fáceis de se construir resistores. O dispositivo no canto superior esquerdo é uma junção PN (um material dopado P colocado próximo a um material dopado N). Isso forma um diodo. No canto inferior esquerdo, aparece a configuração de portadores, elétrons e lacunas que existiriam se os dois materiais fossem colocados lado a lado, mas sem se tocar. Quando uma junção PN é formada, as cargas e as lacunas que se encontram na interface se combinam e eliminam. Isso introduz uma zona de depleção ao redor da junção, onde há uma falta líquida de portadores. Mais uma vez, observe que, já que um elétron negativo se elimina com uma lacuna positiva, então a estrutura líquida permanece neutra. A eliminação de portadores libera um certo grau de energia, e isso pode ser usado para gerar fótons de luz (como é o caso dos diodos emissores de luz LEDs), e, alternativamente, a luz pode ser usada para criar portadores, como é o caso de foto-diodos e foto-transistores. Estes serão introduzidos mais adiante.

12 Slide 12 zona de depleção Junção PN A eliminação de portadores de carga através da junção leva a uma separação de carga, q(x). Isso, por sua vez, leva a um campo elétrico, E(x). ou permitividade e uma Tensão através da junção. *para Si, 0,2V para Ge Semicondutores 12 A ausência de portadores de carga na interface de uma junção PN significa que há uma separação de carga através da junção (já que as impurezas não são, de forma alguma, afetados pela eliminação do portador). A separação de carga introduz um campo elétrico através da junção, e isso é uma tensão. Observe que, embora exista uma separação de carga, não há excesso de carga, e o dispositivo é eletricamente neutro. A área do campo elétrico (ou separação de carga) é chamada de zona de depleção, já que a eliminação de portadores de carga resulta na área da junção onde não há portadores. Para dispositivos de silício, a separação de carga resulta em uma tensão de 0,7V através da interface. Essa é a origem da tensão necessária para ligar um diodo. Para semicondutores à base de germânio, a separação de carga leva a uma pequena tensão de junção (0,2V).

13 Slide 13 Junção PN de Polarização Direta Uma tensão conectada através de uma junção PN com o terminal positivo conectado ao lado P irá injetar elétrons na região N e removê-los (injetar lacunas) na região P. O resultado é uma abundância de portadores. Os portadores se difundem através da junção e se eliminam, permitindo o fluxo de uma corrente. Essa eliminação também é chamada de recombinação. I d é a corrente de difusão (portadores se difundindo através da junção) I o é a corrente de portadores de minoritários (portadores de minoritários de portadores intrínsecos) Semicondutores 13 A essência da ação de uma junção PN de polarização direta é que é possível injetar portadores majoritários. Então, uma junção PN com uma tensão positiva através dela possui elétrons sendo injetados na região N e lacunas a região P, então, contanto que a tensão através do dispositivo seja suficiente para superar a tensão de junção, uma corrente irá fluir. Quando uma junção PN tem polarização direta, a corrente de difusão é muito maior que a corrente de portadores minoritários, que pode ser ignorada.

14 Slide 14 Junção PN de polarização reversa Sob uma polarização reversa, a zona de depleção aumenta, e a corrente de difusão é reduzida. A corrente de portadores minoritários permanece inalterada. Essa corrente de saturação reversa, ou corrente de superfície, é de normalmente A em Si. Ela é um pouco maior em Ge, 10-6 A, e é por isso que Si é mais comum para diodos e transistores. Um diodo de polarização direta se assemelha a um curtocircuito, e um diodo de polarização reversa se assemelha a um circuito aberto Semicondutores 14 No caso de polarização reversa, a junção fica ainda mais carente de portadores, e a corrente importante é a corrente de portadores minoritários (ou corrente de saturação reversa). Isso é pequeno em comparação com a corrente direta no caso de polarização direta, mas deve ser lembrado para algumas aplicações. A corrente de portadores minoritários não é influenciada pela tensão através da junção, e é simplesmente uma propriedade do material. Para o silício ela é baixa, ao passo que para o germânio é de cerca de um micro-ampère. Esse é o principal motivo por que o silício é mais comum em diodos e transistores.

15 Slide 15 Retificador e diodo Tanto as correntes de difusão quanto de superfície seguem a lei de dependência de Boltzmann. A corrente de superfície é independente de tensão aplicada, ao passo que a corrente de difusão depende da tensão aplicada. Como vimos, estas estão em direções opostas. I d = corrente de difusão; I o = corrente de superfície, K = constante dependente da geometria e = carga do elétron (1, C) V = tensão aplicada; V o = tensão da junção k = constante de Boltzmann (0, J/ºK) T = ºK Semicondutores 15 Aqui, fornecemos uma aproximação simples para a corrente em um diodo de silício. As mensagens importantes são: A curva IV é dependente da temperatura, A corrente tem uma dependência exponencial da tensão.

16 Slide 16 Propriedades: características do diodo Si ou Ge, determina a queda de tensão através do diodo e a corrente de superfície. Tensão reversa máxima, PRV (tensão reversa de pico) ou I F, para corrente direta máxima PIV (tensão inversa de pico). Capacitância da junção, tempo de recuperação reversa. A capacitância depende do tamanho e da geometria da junção, a capacitância pode ser encarada paralelamente à junção. Uma I F grande normalmente significa uma grande capacitância de junção: o que acontece se você tentar usar esse diodo em altas freqüências? Semicondutores 16 Para cada dispositivo existem características definidoras que a indústria considera útil ao descrevê-los. Mesmo no caso de um dispositivo simples como um diodo, existem centenas de tipos que foram especificamente projetados para: Comutação Retificação Potência Alta freqüência Baixas perdas Normalmente, ao escolher um diodo, você precisa saber as classificações máximas para tensão e corrente. Além disso, os diodos possuem uma capacitância significativa, e isso deve ser incluído nos projetos de alta freqüência.

17 Slide 17 Manual do diodo Semicondutores 17 Manual típica de um diodo multi-propósito. Retirada do site Fairchild, que é um lugar conveniente para se encontrar folhas de dados. Todas as folhas de dados começam mostrando as várias versões do dispositivo, em seguida fornecem as classificações máximas seguidas das especificações e, talvez, configurações de teste.

18 Slide 18 Manual do diodo Semicondutores 18

19 Slide 19 caracterizando um diodo Se um excesso de corrente for enviado através de um diodo, ele se torna equivalente a um fusível queimado. Como testamos isso? Ohímetro sonda negativa Por que normalmente existe um circuito de diodo separada (além do circuito de resistência)? sonda positiva O galvanômetro é um eletroímã controlado por corrente que torciona uma agulha acopla a molas. resistência direta ~ alguns ohms resistência reversa ~ megaohms Semicondutores 19 Um problema para se refletir para a seção de apresentação oral. Se um ohímetro é suficiente para testar a função de um diodo, por que muitos multímetros possuem uma circuito separada para diodos?

20 Slide 20 Sensibilidade dos Diodos à Temperatura A corrente através de um diodo de polarização direta é uma função da corrente constante tensão constante temperatura e, dessa forma, um diodo pode ser usado como um sensor de temperatura. Aqui temos duas opções, corrente constante e tensão constante. No modo de corrente constante, dv/dt ~k/e~0,002v/ºc. fonte de corrente voltímetro Semicondutores 20

21 Slide 21 Uma junção é uma fonte de corrente? Uma junção PN possui uma separação de carga que se assemelha à de um capacitor. Se você curto-circuitar isso com um arame, uma corrente irá fluir? Ou, de forma equivalente, a tensão da junção é removida por um curto? Semicondutores 21 Problema para refletir para a apresentação oral. Com a separação de carga através da junção de diodo, ele se assemelha a um capacitor com carga. Nós vimos que, quando curto-circuitado, um capacitor com carga forneceu una fonte drástica de energia, o diodo também o faz? Em outras palavras, se curto-circuita um diodo, há fluxo de corrente?

22 Slide 22 De volta aos diodos de retaguarda Usados para evitar ruídos de circuitos de freqüência de rádio. Lembre-se de que os diodos possuem capacitância eficaz ~4pF para diodos de comutação, 1 N914 s desligado por Semicondutores 22

23 Slide 23 De Volta aos Diodos de Retaguada (cont.) Semicondutores 23

24 Slide 24 Regulador de Tensão Zener Real Zener Ideal Os zeners são diodos que possuem resistência variável. Especificamente, os zeners possuem uma saída de corrente constante ao longo de uma gama de tensões de entrada. Dessa forma, fornecendo uma corrente constante para um circuito, os zeners podem ser usados como reguladores de tensão. Um regulador de tensão simples. Supressão de ondulações insatisfatória, exige um zener com alta faixa de potência, e variações com impedância de carga. ent saída Semicondutores 1

25 Slide 25 Transistor de junção bipolar base coletor emissor emissor base coletor Um dispositivo com 2 junções e 3 terminais (base, emissor, coletor). Corretamente polarizado, a junção do emissor é polarizada de forma direta e a junção da base do coletor é polarizada de forma reversa. O emissor é mais fortemente dopado que o coletor, e podemos assumir que o emissor proporciona todos os portadores. A base é fina e atua no controle do emissor para a corrente do coletor, obs.: essa é uma corrente de elétrons (caso npn) e, portanto, a corrente convencional flui do coletor ao emissor Semicondutores 25

26 Slide 26 Junções de diodos e BJT coletor emissor Com polarização direta, a junção PN de um diodo possui uma alta taxa de recombinação e, dessa forma, suporta uma grande corrente. Com polarização direta no BJT, a junção base para emissor PN possui baixa taxa de recombinação (a base é fina e levemente podada), portanto o elétron se encaminha ao coletor, onde se torna novamente o portador majoritário Semicondutores 26

27 Slide 27 coletor emissor BJT de emissor ligada à massa TENSÃO BASE-EMISSOR ON (V) Tensão Base-Emissor vs Corrente de Coletor I c = CORRENTE DO COLETOR (ma) β~100 Normalmente desligado, pequena corrente de entrada na base e tensão relativa ao emissor liga-o, comutando e amplificando Semicondutores 27

28 Slide 28 Dependência de temperatura do BJT HFE = GANHO DE CORRENTE PULSADA TÍPICO Ganho de Corrente Pulsada Típico vc Corrente de Coletor I c CORRENTE DE COLETOR (ma) Semicondutores 28

29 Slide 29 BJT de base ligada à massa Nessa configuração, a corrente de coletor é independente da tensão da base do coletor, e varia de forma linear com a corrente do emissor. O BJT é raramente usado na configuração de base ligada à terra, mas tem a vantagem de mostrar o emissor como a fonte de portador de corrente. Usado como o estágio de entrada de um pré-amplificador impulsionado por uma fonte de corrente Semicondutores 29

30 Slide 30 Demonstração de Testador de Transistor Nº1 Nessa demonstração, o testador de transistor será usado para gerar curvas de resposta corrente-tensão características para o BJT 2N3904 e o JFET 2N5459. O testador funciona aplicando um padrão de tensão em dente-de-serra (ou a fonte/dreno para JFET), assim como aplicando uma seqüência de etapa de corrente à base (porta). tempo A corrente ou tensão do coletor resultante (dreno) é então usada para gerar as curvas características com V A configurado como o eixo x no osciloscópio Semicondutores 30

31 Slide 31 Demonstração de Testador de Transistor Nº2 Entrada do Testador: tempo Semicondutores 31

32 Slide 32 Propriedades de Transistores Bipolares β (ganho de corrente) não é um parâmetro, ele varia com tudo. I C,MAX faixa máxima de corrente de coletor máximo. BV CBO = máxima tensão coletor-base. BV CEO = máxima tensão base-emissor. V EBO = tensão de ruptura emissor-base. P D = dissipação máxima de potência do coletor Semicondutores 32

33 Slide 33 Manual 2N2222 (1 de 3) Semicondutores 33

34 Slide 34 Manual 2N2222 (2 de 3) Semicondutores 34

35 Slide 35 Manual 2N2222 (3 de 3) Semicondutores 35

36 Slide 36 Regulador de Tensão Configuração de seguidor de emissor. Corrente de base é de apenas 1/β da corrente de alimentação. Filtro RC reduz ondulação Semicondutores 36

37 Slide 37 A junção é uma fonte de corrente? Não O curto-circuito dá a impressão de que você dobrou a junção para formar uma segunda junção. Cada junção possui sua própria zona de depleção e, conseqüentemente, há uma diferença de tensão entre os dois lados da estrutura Semicondutores 37