From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
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- Victorio Prado Bayer
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1 These PowerPoint color diagrams can only be used by instructors if the 3 rd Edition has been adopted for his/her course. Permission is given to individuals who have purchased a copy of the third edition with CD-ROM Electronic Materials and Devices to use these slides in seminar, symposium and conference presentations provided that the book title, author and McGraw-Hill are displayed under each diagram. From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
2 Silicon is the most important semiconductor in today s electronics SOURCE: Courtesy of IBM From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
3 200 mm and 300 mm Si wafers. SOURCE: Courtesy of MEMC, Electronic Materials, Inc. From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
4 GaAs ingots and wafers. GaAs is used in high speed electronic devices, and optoelectronics. SOURCE: Courtesy of Sumitomo Electric Industries, Ltd. From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
5 (a) A simplified two-dimensional illustration of a Si atom with four hybrid orbitals ψ hyb. Each orbital has one electron. (b) A simplified two-dimensional view of a region of the Si crystal showing covalent bonds. (c) The energy band diagram at absolute zero of temperature. Fig 5.1 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
6 A two-dimensional pictorial view of the Si crystal showing covalent bonds as two lines where each line is a valence electron. Fig 5.2 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
7 (a) A photon with an energy greater than E g can excite an electron from the VB to the CB. (b) When a photon breaks a Si-Si bond, a free electron and a hole in the Si-Si bond is created. Fig 5.3 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
8 Thermal vibrations of atoms can break bonds and thereby create electron-hole pairs. Fig 5.4 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
9 A pictorial illustration of a hole in the valence band wandering around the crystal due to the tunneling of electrons from neighboring bonds. Fig 5.5 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
10 Electron and Hole Drift Velocities v de = µ e E x and v dh = µ h E x v de = drift velocity of the electrons, µ e = electron drift mobility, E x = applied electric field, v dh = drift velocity of the holes, µ h = hole drift mobility Conductivity of a Semiconductor σ = enµ e + epµ h σ = conductivity, e = electronic charge, n = electron concentration in the CB, µ e = electron drift mobility, p = hole concentration in the VB, µ h = hole drift mobility From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
11 np Mass Action Law E = n 2 = N N exp g i c v kt n i = intrinsic concentration The np product is a constant, n i2, that depends on the material properties N c, N v, E g, and the temperature. If somehow n is increased (e.g. by doping), p must decrease to keep np constant. Mass action law applies in thermal equilibrium and in the dark (no illumination) From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
12 Energy band diagrams for (a) Intrinsic, (b) n-type, and (d) p-type semiconductors. In all cases, np = n 2 i Fig 5.8 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
13 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
14 Arsenic-doped Si crystal. The four valence electrons of As allow it to bond just like Si, but the fifth electron is left orbiting the As site. The energy required to release the free fifth electron into the CB is very small. Fig 5.9 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
15 Energy band diagram for an n-type Si doped with 1 ppm As. There are donor energy levels just below E c around As + sites. Fig 5.10 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
16 n-type Conductivity σ = 2 i n en µ + e µ en µ d e h d e N d σ = electrical conductivity e = electronic charge N d = donor atom concentration in the crystal µ e = electron drift mobility, n i = intrinsic concentration, µ h = hole drift mobility From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
17 Boron-doped Si crystal. B has only three valence electrons. When it substitutes for a Si atom, one of its bonds has an electron missing and therefore a hole, as shown in (a). The hole orbits around the B - site by the tunneling of electrons from neighboring bonds, as shown in (b). Eventually, thermally vibrating Si atoms provide enough energy to free the hole from the B - site into the VB, as shown. Fig 5.11 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
18 Energy band diagram for a p-type Si doped with 1 ppm B. There are acceptor energy levels E a just above E v around B - sites. These acceptor levels accept electrons from the VB and therefore create holes in the VB. Fig 5.12 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
19 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
20 (a) Below T s, the electron concentration is controlled by the ionization of the donors. (b) Between T s and T i, the electron concentration is equal to the concentration of donors since They would all have ionized. (c) At high temperatures, thermally generated electrons from the VB exceed the number of Electrons from ionized donors and the semiconductor behaves as if intrinsic. Fig 5.14 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
21 The temperature dependence of the electron concentration in an n-type semiconductor. Fig 5.15 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
22 The temperature dependence of the intrinsic concentration Fig 5.16 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
23 Scattering of electrons by an ionized impurity. Fig 5.17 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
24 The variation of the drift mobility with dopant concentration in Si for electrons and holes at 300 K. Fig 5.19 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
25 Schematic illustration of the temperature dependence of electrical conductivity for a doped (n-type) semiconductor. Fig 5.20 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)
26 ENGA47 Tecnologia dos Materiais Aplicações de Semicondutores Junção PN Diodo Transistor Bipolar PNP e NPN V. F. Rodríguez-Esquerre 1
27 Junção PN Um díodo rectificador é constituído por uma junção PN de material semicondutor (silício ou germânio) e por dois terminais, o Ânodo (A) e o Cátodo (K). Símbolo:
28 Junção PN
29 Junção PN
30 Junção PN A junção de um material semicondutor do tipo P (com excesso de lacunas) com um material semicondutor do tipo N (com excesso de electrões livres) origina uma junção PN. Na zona da junção, os electrões livres do semicondutor N recombinam se com as lacunas do semicondutor P formando uma zona sem portadores de carga eléctrica que se designa por zona neutra ou zona de deplecção. Electrões livres Zona neutra ou zona de deplecção Lacunas
31 Junção PN Principio de funcionamento Quando polarizado directamente um díodo rectificador conduz porque na junção PN a zona neutra ou zona de deplecção (zona sem portadores de carga eléctrica) estreita a resistência eléctrica diminui e a corrente eléctrica passa. Electrões livres Lacunas Zona neutra ou zona de deplecção estreita
32 Junção PN Principio de funcionamento Quando polarizado inversamente um díodo rectificador não conduz porque na junção PN a zona neutra ou zona de deplecção (zona sem portadores td de carga eléctrica) alarga a resistência eléctrica aumenta significativamente e a corrente eléctrica não passa. Electrões livres Lacunas Zona neutra ou zona de deplecção alarga
33 Junção PN Principio de funcionamento
34 Junção PN Queda de tensão interna Quando o díodo está polarizado directamente a corrente eléctrica ao passar pela zona neutra ou zona de deplecção que apresenta uma certa resistência, origina uma queda de tensão (U=RxI). Nos díodos de silício essa queda de tensão interna pode variar entre 0,6Volt e 1Volt. Nos díodos de germânio essa queda de tensão interna pode variar entre 0,2Volt e 0,4Volt.
35 Junção PN
36 Junção PN Curva Característica Tensão directa Corrente directa U F I F I F Tensão inversa U R U R U F Corrente inversa I R I R
37 Junção PN Curva Característica Pode se observar na curva característica do 1º quadrante (díodo polarizado directamente) t que à medida que se aumenta a tensão directa (U F ) a corrente directa (I F ) também aumenta. Na curva do 3º quadrante (díodo d polarizado inversamente) podemos observar que para uma dada faixa da tensão inversa (U R R) a corrente inversa (I R ) é desprezível (corrente de fuga). A tensão inversa não pode atingir a tensão de ruptura pois isso acarreta que o díodo d passe a conduzir em sentido contrário (rompeu a junção PN).
38 Junção PN Reta de carga Consideremos o circuito: V + F _ I F V CC + + R C V CC + V F + R C.I F = 0 V F + R C.I F = V CC Encontramos uma equação que relaciona V F e I F : V CC = V F + R C.I F Esta equação permite determinar os dois pontos da reta de carga que Esta equação permite determinar os dois pontos da reta de carga, que sobreposta à curva característica do díodo, determinará o ponto de funcionamento (Q) do díodo.
39 Junção PN Reta de carga Este é um método gráfico que permite que encontremos o ponto de funcionamento do díodo. É de notar que a recta de carga depende do circuito (V CC e R C ) em que o díodo está inserido, enquanto que a curva característica é fornecida pelo fabricante. V CC = V F + R C.I F Corrente de saturação Tensão de corte I F =0 V CC =V F Corrente de saturação V F =0 I F =V CC / R C
40 Exemplo da determinação do ponto de funcionamento (Q) de um díodo Este é um método gráfico que permite que encontremos o ponto de funcionamento do díodo. d É de notar que a recta de carga depende d do circuito (V CC e R C ) em que o díodo está inserido, enquanto que a curva característica é fornecida pelo fabricante. I F V CC =3V R C =750Ω ma V CC = V F + R C.I F Tensão de corte I F =0 V CC =V F V F =3 V Corrente de saturação A V F =0 I F =V CC / R C I F =3 / 750 2, Q I F = 4 ma Para as condições do circuito i (V CC =3Volt e R C =750Ω) e a curva característica representada, a corrente directa no díodo será de I FQ 2,5mA e a tensão directa será de V FQ =1,1V. FQ, ,1
41 Transistor Bipolar (BJT) O termo Transístor resulta da aglutinação dos termos ingleses TRANsfer + resistor (resistência de transferência). O termo bipolar refere se ao facto dos portadores electrões e lacunas participarem no processo do fluxo de corrente.
42 Transistor Bipolar (BJT) Um transístor bipolar (com polaridade NPN ou PNP) é constituído por duas junções PN (junção base emissor emissor e junção base colector) de material semicondutor (silício ou germânio) e por três terminais designados por Emissor (E), Base (B) e Colector (C). Altamente dopado Camada mais fina e menos dopada Menos dopado que o Emissor e mais dopado que a Base Altamente dopado Camada mais fina e menos dopada Menos dopado d que o Emissor e mais dopado que a Base N Material semicondutor com excesso de electrões livres P Material semicondutor com excesso de lacunas
43 Transistor Bipolar (BJT) Junção PN base emissor Junção PN base colector Junção PN base emissor Junção PN base colector
44 Transistor Bipolar (BJT) Para o transístor bipolar poder ser utilizado com interruptor, como amplificador ou como oscilador tem que estar devidamente polarizado através de uma fonte DC. Para o transístor estar correctamente polarizado a junção PN base emissor deve ser polarizada directamente e a junção base colector deve ser polarizada inversamente. Regra prática: O Emissor é polarizado com a mesma polaridade que o semicondutor que o constitui. A Base é polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui. O Colector é polarizado com polaridade d contrária tái à do semicondutor que o constitui. i Emissor Base Colector Emissor Base Colector P N P N P N
45 Transistor Bipolar (BJT) Emissor Base Colector Emissor Base Colector P N P N P N
46 Transistor Bipolar (BJT)
47 Transistor Bipolar (BJT)
48 Transistor Bipolar (BJT)
49 Transistor Bipolar (BJT)
50 Transistor Bipolar (BJT) N material P material N material
51 Transistor Bipolar (BJT) Realizar a polarização de forma Similaraos aos slides anteriores.
52 Transistor Bipolar (BJT)
5. Componentes electrónicos
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