Física dos Semicondutores

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1 Física dos Semicondutores Resistividade Condutor (fácil fluxo de cargas) Semicondutor Isolante (difícil fluxo de cargas) COBRE: r = 10-6 W.cm GERMÂNIO: r = 50 W.cm SILÍCIO: r = 50 x 10-3 W.cm MICA: r = W.cm R r L A r R.A L r W.cm cm 2 W. cm

2 Modelo de Bohr (1913) Exemplo: silício (n=14) 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

3 Estrutura: arranjo repetitivo de átomos Organização dos átomos de silício: estrutura cristalina ou cristal - - Si Si Si - - Cada átomo tende a ligar-se a outros 4 para completar os 8 elétrons da última camada (estabilizar-se). - - Si Si Si - - Os átomos então compartilham seus elétrons da órbita de valência com outros 4 átomos vizinhos Ligações Covalentes formam um material sólido e duro -cristal

4 Níveis de Energia no Átomo são discretos e aumentam conforme a distância do elétron ao núcleo (raio orbital) conceitoválidosomenteparaumátomo,isolado,quenãosofrea interação das demais forças do cristal) ENERGIA núcleo r 1 r 2 r 3 r 3 r 2 r 1 3º nível 2º nível 1º nível de energia LIMITE DO NÚCLEO

5 Bandas de Energia cada elétron sofre influências das cargas vizinhas dentro do cristal, tendo órbitas ligeiramente diferentes, configurando a banda de energia Representamosníveisdeenergiamaisprováveisparaoselétronsde um cristal Exemplo: silício (temperatura ligeiramente superior a 0ºK) ENERGIA Banda de Condução r 3 r 2 r 1 Banda de Valência 2ª banda 1ª banda Bandas preenchidas: todas as órbitas disponíveis estão ocupadas por elétrons Exemplo: a banda de valência já está ocupada por 8 elétrons.

6 Potencial de Ionização energia necessária para remover os elétrons da última camada Acima do zero absoluto a energia térmica quebra algumas ligações covalentes e alguns elétrons vão à banda de condução. CAMPO ELÉTRICO CORRENTE ELETRÔNICA movimento dos elétrons Cristal de Silício puro a 25ºC metal + V

7 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.

8 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 de valência de outro, ocasiona a volta do elétron para a BV e o desaparecimento de um par elétron-lacuna

9 Definições Material intrínseco Material semicondutor com alto grau de pureza Dopagem Introdução de átomos de impurezas em um cristal intrínseco para aumentar o número de pares elétron-lacuna (o material dopado é chamado Material Extrínseco )

10 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

11 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

12 Junçãop-n Uma extremidade de um cristal de silício ou germânio pode ser dopada como um material do tipo p e a outra extremidade como ummaterialdotipon. O resultadoé uma junçãop-n

13 Correntes do diodo, Polarização, Curva Característica, Reta de Carga, Ponto de Operação

14 Junçãop-n Uma extremidade de um cristal de silício ou germânio dopada como um material do tipo p e a outra extremidade como ummaterialdo tipon. A construção da junção p-n resulta no dispositivo mais simples utilizado em Eletrônica, conhecido como Diodo de Junção.

15 Junçãop-n Ladon: os elétronsemexcessona bandadeconduçãosão atraídospelaslacunasnabandade valênciano ladop e atravessam a junção.

16 Junçãop-n Ladop: os elétronsquemigraramdoladonrecombinam-se primeiramente com as lacunas próximas à junção, criando íons negativos(cargas fixas no cristal).

17 Junçãop-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.

18 Junçãop-n Asoma dascargasdos íons emumdos ladosda junção representa o potencial total destes íons Adiferençaentreos potenciaisdos ladospenéchamadade Barreira de Potencial

19 Correntes em um Diodode 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.

20 Diodoem Polarização Direta p movimento dos elétrons V n Corrente Eletrônica: 1) elétron entra na região ncomo um elétron-livre (repelido pelo potencial negativo da fonte de alimentação); 2) atravessa a junção e recombinase com uma lacuna (geralmente próxima à junção); 3) caminha pela região pcomo elétron de valência (de lacuna em lacuna, atraído pelo terminal positivo da fonte); 4) encontra o terminal positivo da fonte. OBS.: caminho BC BV libera energia (geralmente em forma de calor, o que causa o aquecimento do diodo quando conduzindo corrente em polarização direta)

21 Diodo símboloe sentidoda corrente anodo catodo sentido da corrente convencional p n

22 Diodoem Polarização Reversa O queocorre: p V n 1) elétrons da região nsão atraídos pelo terminal positivo da fonte, deixando íons positivos; 2) lacunas da região psão 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.

23 CorrenteReversa Corrente de valor baixo 2 componentes principais: Corrente de Portadores Minoritários (I S ) causada pela energia térmica, que cria continuamente pares elétron-lacuna em ambos os lados da junção. (regra prática: I S dobra para cada aumento de 10ºC na temperatura) Corrente de Fuga (I FS ) causada por imperfeições na superfície do cristal, que criam caminhos ôhmicos para a corrente. (também chamada corrente de fuga superficial) a CorrenteReversadependeda temperaturae da tensão reversa aplicada

24 Tensãode Ruptura(V BR ) É uma tensão reversa que, aplicada ao diodo, ocasionará uma intensa corrente reversa, que danificará o componente por excesso de potência. V BR = BV = breakdown voltage

25 Curvacaracterística i Região direta Tensão de ruptura Corrente Reversa 0,7V Joelho v

26 Circuitode polarização direta VR + Vs Rs V 1) Ié a corrente em todos os componentes do circuito; _ I 2) V R = tensão sobre o resistor R S 3) V é a tensão sobre o diodo Equacionamento: V V S R V R R S V. I V V S R S. I Equação da Reta de Carga

27 Retade Carga É o conjuntode todasas possíveiscombinações de corrente e tensão para um diodo em um determinado circuito. Equação da reta de carga: V VS RS. I 2 pontos: I 0 V V 0 I V S V R S S VS/RS i Corrente de Saturação Tensão de Corte VS v

28 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. EXEMPLO DE PONTO DE OPERAÇÃO Suponha um diodo com a curva característica direta apresentada e circuito com os seguintes valores: V S = 3V R S = 150 W I Calcula-se: V sat corte V R S S V S V 20mA Isat = i [ma] Q = Ponto de Operação 0,7 1,0 2,0 3,0 Vcorte = v [volts]

29 Aproximações do diodo e Circuitos com diodos

30 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

31 Aproximações do diodo Segunda aproximação funciona como uma chave aberta ou fechada, mas considera a tensão da barreira de potencial i DIRETO: corrente máxima, tensão VF 0,7V + - 0,7V v REVERSO: tensão máxima, corrente zero

32 Aproximações do diodo Terceira aproximação considera também a resistência de corpo do diodo, após vencida a barreira de potencial i 0,7V + - rb 0,7V v

33 Resistências do diodo Resistência direta (R F ) É a relação tensão/corrente no ponto de operação, para um diodo diretamente polarizado. Resistência reversa (R R ) É a relação tensão/corrente para um diodo reversamente polarizado. Resistência dinâmica (R Fd ) É a resistência média de um diodo diretamente polarizado, medida em um intervalo de tensão e corrente ao redor do ponto de operação. R Fd V I F F

34 Circuitos com diodos

35 Tensão instantânea: Frequência angular: v( t) VP. sen(2.. f. t) 2.. f Valor de Pico: Frequência: V P f 1 T Período distânciatemporal entre 2 pontosde mesma fase

36 Tensão de Pico-a-Pico: V V ( V ) 2V pp P P P (tensão de pico a vale ABNT) Tensão Eficaz(rms): RMS TensãoMédia(cc oudc): V 0,707V V CC P 1 T T 0 V 2 2 P V P. sen( t). dt 0

37 Exemplo: tensãoda linha Considere uma rede de energia com tensão de 127V(eficaz) e frequência de 60Hz. Calcular: 1) frequência angular 2) período 3) valorde pico

38 CircuitoRetificador Converte um sinal alternado(tensão ou corrente) em sinal contínuo CA CC (pulsante) Retificador de Meia-Onda diodo ideal v(t) RL v( t) VP. sen(2.. f. t) Valor médioda tensãode saída: V CC VP

39 TensãoReversaMáxima (PIV) O diodo reversamente polarizado deve ter, obrigatoriamente, V BR suficiente para suportar a tensão reversa máxima (PIV) aplicada pelo circuito onde está inserido.