1. DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES

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Ana Almada Arantes
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1 . DISPOSIIOS SMICODUORS. Itroução: isositivos ltrôicos Fisicmt, são struturs cujo comortmto létrico romit : s PROPRIDDS DOS MRIIS DS IRFCS os PRÂMROS GOMÉRICOS COSRUIOS Plcs mtálics Por xmlo, um strutur form or um cm mtril homogêo, com sção rt uiform limit s xtrmis or ois ltroos mtálicos, o corrsor à imlmtção um isositivo. mtril (σ, ) CPCIOR RSISOR ~ v(t) Mtril é um ISOL com rmissivi C Mtril é um CODUOR com rsistivi ρ R ρ O isositivo rlmt ossuirá ccitâci rsistêci um molo quivlt.

PRÂMROS GOMÉRICOS COSRUIOS Plcs mtálics Por xmlo, um strutur form or um cm mtril homogêo, com sção rt uiform limit s

2 . Juçõs - stão rsts gr miori os isositivos smicoutors. São costituís or mtriis smicoutors xtríscos turzs oosts, m cotto irto, trmio um itrfc com roris físics otávis. o Disositivos ltrôicos jução - strutur s Jução - COSQÜÊCI: ristribuição s oulçõs os ortors á origm cmos ltrostáticos itros o quilíbrio térmico, cujs roris om sr xlors.

3 HIPÓSS: ) Problm -D. ) Jução brut. 3) Moocristl (homojução). i(t) Plcs mtálics Mtriis SPRDOS Jução RUP ~ v(t) - - s rgi x C F C C F F? F C

4 SMICODUOR XRÍSCO: qul qu cotém átomos oors/citors. Silício Itrísco Silício tio- Silício tio- ogm

5 CMPOS LROSÁICOS IROS Pr clculr R.D. é rciso obtr vrição o otcil ltrostático, φ(x): r φ r Ivrsmt, φ(x) o sr obtio rtir itsi o cmo, (x): φ( x) x r ( x) xx ˆ Df.: POCIL D COO, O É ltur brrir otcil qu s stblc jução - (itrfc) qu rso ls crctrístics létrics o isositivo. O Como osição o ívl Frmi tro o g ogm o cristl, o otcil cotto s coctrçõs - mrgs cofcção jução.

6 SÍSIC D FRMI Utilizo roximção oltzm r clculo s oulçõs ortors s rgiõs utrs: o F x F x o x l l logmt, qucioo s oulçõs létros: l ) Lo- i / ) Lo- i / l i g C i x C g l

7 PROXIMÇÃO D DPLÇÃO HIPÓSS: ) Coctrçõs MIORIÁRIOS srzívis o cristl too. ) Coctrçõs MJORIÁRIOS iguis às coctrçõs os átomos ots ioizos corrsots for R.D. 3) Coctrçõs ÍOS costts muito suriors às coctrçõs os ortors m trâsito tro R.D.

8 COSQÜÊCI: xtsão R.D. stá rlcio à ltur brrir otcil. ) ( ) ( ) ( l x x x x φ φ l O So o cmo máximo o Ε( Ε( Ε( Ε() o or: l x o ) ( ) ( r ) ( tém-s qu: l o mbém, lmbro qu: l i l l i l Ou i: l C g l

9 CPCIÂCI D JUÇÃO - jução - s ssmlh um ccitor lcs rlls (rgiõs tio- tio- coutors ) srs l R.D. (rgião sm ortors crg livrs isolt ), crrgo ( usêci olrizção) com: o l x Q vr Q tsão xtr lic os trmiis (i., olrizção ) o isositivo, moo qu: ( ) ( ) v v Q ém-s com isso um ccitâci iâmic jução -: ( ) [ ] ( ) v v v Q C ( ) ( ) v v Q o usêci olrizção ( ): ( ) l C C!

10 .3 Dioos rtificors Um... xtr lic ftrá brrir otcil R.D., muo s coiçõs ijção ortors mioritários, ortto, CORR qu trvss strutur o isositivo. o ( ) ( ) SM POLRIZÇÃO POLRIZÇÃO DIR POLRIZÇÃO RRS COMPOS D CORR RGIÕS URS (for R.D.) RGIÃO D DPLÇÃO DRI ortors mjoritários DIFUSÃO ortors mioritários Mjoritários são ijtos trvés R.D. o lo utro oosto o são mioritários.

11 IDÉI! omr como bs s CORRS DOS MIORIÁRIOS IJDOS, clculo-s s sus coctrçõs m xcsso sloco-s origm r x x r x - x. corrt I é fii ls itrçõs (s frotirs R.D. com s rgiõs utrs) tr os mjoritários os mioritários ijtos (iquilçõs mútus). HIPÓS D IX IJÇÃO Sob coição olrizção irt s oulçõs mjoritários s mtêm rticmt iltrs, sr ijção os mioritários: ( x ) ( x ) o o usêci olrizção xtr lic brrir o jução - stá rlcio com s oulçõs mjoritários mioritários: o o o x o o Com licção um xtr (olrizção xtr): ( x ) ( x ) o o ( x ) x ( ) o

HIPÓS D IX IJÇÃO Sob coição olrizção irt s oulçõs mjoritários s mtêm rticmt iltrs, sr ijção os mioritários: ( x ) ( x ) o o

12 Rlcioo s us coiçõs triors (com sm olrizção xtr) obtém-s coctrção mioritários frotir rgião tio- com R.D.: ( x ) o o o x ( x ) o x COSQÜÊCI: tém-s um xcsso mioritários m rlção à coctrção quilíbrio térmico rgião tio- vio à ijção sts frotir com R.D.: o δ ( x ) ( x ) o o x rt-s um cso o s lic QUÇÃO D DIFUSÃO COM RCOMIÇÃO, um vz qu surg um grit coctrção mioritários (burcos) rgião utr tio- vio à chg rmt ortors ijtos trvés R.D.: δ ( x ) o x x L o x x x L

13 Um vz qu tém-s qu r J r J if if r ( x ) D qu os mioritários s istribum sguo ( x ) D δ x D L o x x x L ( x ) δ ( x ) ssum-s qu to corrt vi os burcos o lo tio- é vi o rocsso ifusão sss mioritários, mlitu o su grit coctrção (i.é, comot rrsto sss mioritários lo cmo xtro lico é srzívl o lo-, comr à comot rrsto os mjoritários lí). comot ifusão mioritários rst su vlor máximo m x, o comot rrsto (riv) os mjoritários ssum vlor míimo, ois m qulqur sção trsvrsl rgião utr tio- r J ( x ) J ( x ) J, r x > if o m x, tém-s: J if D ( x ) x o L

é, comot rrsto sss mioritários lo cmo xtro lico é srzívl o lo-, comr à comot rrsto os mjoritários lí).

14 O comot riv létros (mjoritários) m x, s trsform um comot ifusão sss ortors o iício rgião utr tio- (m x ), o sts últimos igrssm (como mioritários) ós cruzr R.D. Prov-s, roco-s form álog às uçõs rlizs r stimr comot ifusão burcos o lo-, qu r os mioritários ijtos o lo- comot ifusão frotir com R.D. (m x ): J if D ( x ) x o L Portto, m qulqur sção trsvrsl tro R.D., um vz qu ão há rcombição ortors ss rgião (or quê?), tém-s: J r if J ( x ) J ( x ) D D I J o o x L L I i D D x L L

Prov-s, roco-s form álog às uçõs rlizs r stimr comot ifusão burcos o lo-, qu r os mioritários ijtos o lo- comot ifusão

15 Df.: CORR D SURÇÃO RRS, I S lor corrt qu s stblc quo um rvrs <<. - / é lic os trmiis létricos o ioo. D D I S i L L Com isso, tém-s qução Shocly (mis cohci como qução o ioo ), qu scrv o comortmto curv crctrístic o isositivo o lo I-: I I S x OSRÇÕS: ) qução Shocly só scrv o comortmto for rutur. ) os ioos ris há rcombição -b R.D., o qu svi o comortmto xocil ilizo obtio (ftor ). 3) miori s juçõs - rátics ão é brut sim grul.

crctrístic o isositivo o lo I-: I I S x OSRÇÕS: ) qução Shocly só scrv o comortmto for rutur.

16 .4 Dioos Schotty São bsos m roris R.D. um jução mtl-smicoutor com crátr rtificor, como o jução -. Df.: LROFIIDD, χ rgi cssári r librr um létro b coução um smicoutor. Df.: FUÇÃO-RLHO (ou POCIL LRO-QUÍMICO), φ rgi cssári r librr um létro surfíci um mtl. Quo um cm mtálic é osit sobr um surfíci mtril smicoutor ocorr um migrção létros um lo r o outro itrfc como cosqüêci ifrç s rgis méis os létros-livrs os ois mtriis.

: FUÇÃO-RLHO (ou POCIL LRO-QUÍMICO), φ rgi cssári r librr um létro surfíci um mtl.

17 φ S < φ m Os létros-livrs o smicoutor iicilmt ossum mis rgi qu os o mtl, ortto, s ifum trvés itrfc ós o cotto r cm mtálic. φ S > φ m Os létros-livrs o mtl iicilmt ossum mis rgi qu os o smicoutor, ortto, s ifum trvés itrfc ós o cotto.

18 Df.: POCIL D COO, o É brrir otcil qu s stblc r os ortors-livrs o smicoutor ós ristribuição os létros o sistm: φ m φs, quoφm > φs ( tio O φ S φm, quoφm < φs ( tio O Form-s, simultmt, um brrir otcil itrfc r os létroslivrs o mtl lcçrm b coução o smicoutor. ss brrir, o cotrário trior, é fix it o otcil xtro lico: Um... xtr lic ftrá brrir otcil R.D. (itgrlmt coti o lo smicoutor) s r os ortors-livrs o mtril smicoutor, muo s coiçõs ijção sss ortors o mtl, ortto, CORR qu trvss strutur o isositivo UIPOLR. φ φ m ) ) χ

ss brrir, o cotrário trior, é fix it o otcil xtro lico: Um... xtr lic ftrá brrir otcil R.D.

19 OSRÇÕS ) jução - corrt é omi l ijção os MIORIÁRIOS, quto jução mtl-smicoutor corrt é omi l ijção os MJORIÁRIOS. ) os csos juçõs mtl-smicoutor com φ S < φ m φ S > φ m so o smicoutor tio- so o smicoutor tio-, o otcil cotto é gtivo, ão hvo formção brrir r os ortorslivrs o smicoutor. sss juçõs são omis COOS ÔHMICOS, orqu são trsrts o fluxo ortors m mbs s irçõs (bix rsistêci). 3) O ioo brrir Schotty tm crctrístic I- smlht à o ioo jução - (scrit l q. Shocly), ms or srm uiolrs ortors mjotitários são mis ráios quo licos r fução chvmto. Su corrt sturção rvrs (I S ) t sr muito mior: I S φ x

ortorslivrs o smicoutor. sss juçõs são omis COOS ÔHMICOS, orqu são trsrts o fluxo ortors m mbs s irçõs (bix rsistêci).

20 DIGRMS D DS D RGI

21 .5 Dioos sciis: Zr, rctor, úl DIODO ZR (ou RGULDOR D SÃO) fito Zr Ocorr m juçõs - fortmt os (ão-grs), m qu m l i 8 l Pricíio fuciomto bso o fito rutur ltrôic jução -, qu o ocorrr trvés DOIS MCISMOS: sts juçõs - o cmo máximo stá róximo rutur rigiz ilétric o mtril smicoutor, qu or isso é lcç com licção um tsão rvrs oucos volts. l Lmbrr: C g l CRCRÍSIC I-

22 fito vlch Ocorr m juçõs - os com coctrçõs imurzs m ívis covciois, m qu o cmo tig um vlor crítico qu lv à clrção létros oto fzê-los coliir com úclos o logo o trjto tro R.D. (rouzio ioizçõs or imcto ), um fito multilicção ortors-livrs. O otcil rvrso lico cssário é mior qu o cso trior. FIO LCH CRCRÍSIC I-

23 Pricíio fuciomto bso o fito ccitivo jução -, qu o sr moulo l tsão rvrs lic os sus trmiis (qu fz vrir lrgur R.D.). ) ( C C DIODO RCOR (Ribl rcor) ( ) ( ) v Q C o C << DIODO ÚL Pricíio fuciomto bso o fito tulmto quâtico létros trvés R.D. jução - rliz com mtriis gros.

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