UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ELETRÔNICA 1 - ET74C Prof.ª Elisabete Nakoneczny Moraes

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ELETRÔNICA 1 ET74C Prof.ª Elisabete Nakoneczny Moraes Aula 2 FORMAÇÃO DO DIODO SEMICONDUTOR Curitiba, 8 março de CONTEÚDO DA AULA 1. REVISÃO: operação simplificada do diodo 2. FÍSICA DOS SEMICONDUTORES 3. FORMAÇÃO DO DIODO SEMICONDUTOR 4. DETALHAMENTO DO PROCESSO DA RECOMINAÇÃO 5. POLARIZAÇÃO DO DIODO 6. CURVA CARACTERÍSTICA 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 2 1

2 1REVISÃO: OPERAÇÃO SIMPLIFICADA DO DIODO A a) Polarização Direta K Anel da extremidade é o indicativo do terminal de catodo (K) DIODO A K P N Vcc vcc DIODO CONDUZ Chave eletrônica fechada 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 3 1REVISÃO: OPERAÇÃO SIMPLIFICADA DO DIODO b) Polarização DIODO Reversa A K vcc P N Vcc K A vcc DIODO NÃO CONDUZ Chave eletrônica aberta 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 4 2

3 2FÍSICA DOS SEMICONDUTORES Condutor material que sustenta um fluxo de cargas, quando uma fonte de tensão é aplicada através de seus terminais. Isolante material que oferece um nível muito baixo de condutividade sob pressão de uma fonte de tensão aplicada. Semicondutor material que possui um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor. Valores de Resistividade Típicos Condutor Semicondutor Isolante 10 6.cm (cobre) 50.cm (germânio) cm (silício) cm (mica) Capítulo 8 1 Mar do 17 oylestad: seções:1.1 AT02Formação a 1.6 do diodo semicondutor 5 Capítulo 3 do Sedra: seções 3.1 a 3.3 2CRISTAL INTRÍNSECO Uma estrutura cristalina pura de silício (Si) ou germânio (Ge) possui uma rede na qual cada átomo é ligado a quatro átomos adjacentes por pares de elétrons. O cristal é quimicamente estável porque todas as camadas de valência ficam completas e também porque todos os elétrons de valência são retidos em uma ligação covalente, o cristal é um isolante*. Tal cristal puro é denominado de cristal CRISTAL intrínseco. INTRÍNSECO * Do ponto de vista da eletrônica. 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 6 3

4 3PROCESSO DE DOPAGEM Para tornarmos o cristal um semicondutor *, devemos suprilo de portadores livres, a fim de proporcionar um fluxo de corrente. Isto é feito adicionandose uma quantidade rigorosamente controlada de impurezas adequadas durante a formação do cristal. Estas impurezas poderão ser: DOADORAS excesso de elétrons. Exemplo: antimônio () OU é RECEPTORAS falta de elétrons. Exemplo: índio (In), boro (), gálio (Ga) A ausência de elétrons é então denominada na eletrônica por: lacuna, buraco ou hole. b * Do ponto de vista da eletrônica. 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 7 3PROCESSO DE DOPAGEM O processo de adição de impurezas é denominado de: Dopagem ou Dopping. A quantidade e o tipo de impurezas com as quais o cristal é dopado determinam suas características elétricas. Elétron = é OU O cristal dopado passa a ser denominado de cristal extrínseco. b uraco ou lacuna = (hole) ausência carga negativa 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 8 4

5 3REVISÃO: CÁTION Átomo eletricamente neutro Nº é = Nº p Átomo desequilibrado eletricamente Nº é < Nº p Átomo desequilibrado eletricamente: íon positivo CÁTION Como tratase de um cristal, o íon é uma partícula fixa na estrutura cristalina, portanto sem a capacidade de movimento. 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 9 3REVISÃO: ÂNION Átomo eletricamente neutro Nº é = Nº p Átomo desequilibrado eletricamente Nº é > Nº p Átomo desequilibrado eletricamente: íon negativo ÂNION Como tratase de um cristal, o íon é uma partícula fixa na estrutura cristalina, portanto sem a capacidade de movimento. 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 10 5

6 3FORMAÇÃO DO CRISTAL TIPO N O cristal intrínseco é dopado com impureza contendo 5 elétrons na camada de valência no caso o antimônio (). Os quatro elétrons do antimônio () estão seguros na ligação covalente, como o quinto elétron não pertence ao arranjo cristalino, a única força que une ao seu átomo é comparativamente fraca. Em temperaturas normais, a agitação térmica pode fornecer a este quinto é energia cinética. AGITAÇÃO AGITAÇÃO TÉRMICA TÉRMICA 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 11 3FORMAÇÃO DO CRISTAL TIPO N Esta energia cinética pode ser suficiente para superar a atração iônica, tornandoo livre para vaguear pela estrutura cristalina, denominado agora de elétron livre. Desde que este é livre foi doado ao cristal pelo átomo de antimônio, essa substância passa a ser chamada de impureza AGITAÇÃO TÉRMICA élétron livre doadora ou pentavalente. 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 12 6

7 3CRISTAL TIPO N Desta forma, a estrutura cristalina é constituída pelos portadores majoritários que são os elétrons livres enquanto que os portadores minoritários são as lacunas. Há um movimento aleatório pelo cristal devido a energia recebida pela temperatura ambiente. Os íons positivos de (ou cátions) não podem moverse porque constituem a parte fixa da estrutura cristalina. 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 13 3FORMAÇÃO DO CRISTAL TIPO P De forma análoga à construção do cristal tipo N, temse a produção do cristal tipo P, ou seja pelo processo de dopagem de um cristal intrínseco com impurezas trivalentes ou receptores, como Índio (In), Gálio (Ga), oro () ou Alumínio (Al). A impureza trivalente ou receptora, ao entrar na estrutura cristalina procura estabelecer ligações covalentes com os quatro átomos do Si. A impureza trivalente permite a ligação covalente de 3 pares de elétrons, sendo que a quarta ligação fica incompleta. Esta imperfeição na ligação é chamada de buraco, hole, ou lacuna. O conceito de lacuna descreve uma partícula fictícia com propriedades análogas ao do elétron, mas de carga positiva*. *Porst, Alfred. Semicondutores. SIEMENS AG. 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 14 7

8 3CRISTAL TIPO P Os portadores majoritários são as lacunas, enquanto que os minoritários são os elétrons livres. De forma idêntica ao cristal tipo N, há um movimento aleatório dos portadores devido a energia recebida pela temperatura ambiente. Os íons negativos de (ou ânions) não podem moverse porque constituem a parte fixa da estrutura cristalina. 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 15 3FORMAÇÃO DO DIODO SEMICONDUTOR Processo de recombinação dos portadores dá origem a uma região desprovida de portadores de carga elétrica móveis região de depleção ou camada de depleção. Junção PN 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 16 8

9 4DETALHAMENTO DO PROCESSO DA RECOMINAÇÃO CRISTAL tipo P CRISTAL tipo N 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 17 4FORMAÇÃO DOS ÍONS DA CAMADA DE DEPLEÇÃO CRISTAL tipo P CRISTAL tipo N Não há lacunas Não há é livres Íon negativo ANION Anodo A Íon positivo CATION Catodo K 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 18 9

10 4JUNÇÃO PN Quando os cristais P e N são unidos, há o deslocamento das lacunas que estão próximas a junção, no sentido do cristal P para o N. Efeito semelhante ocorre no sentido inverso, ou seja, os é livres se movimentam do cristal N para o cristal P. Esse movimento denominase difusão, resultado do deslocamento de cargas da região de maior concentração para a de menor concentração. O resultado desse movimento é a recombinação das lacunas com os é livres e dos é livres com as lacunas, o que provoca o aparecimento de íons. Esse processo dá origem a uma região desprovida de portadores de carga elétrica móveis: camada ou região depleção. A recombinação resulta também no aparecimento de íons, formando um campo elétrico, que para ser vencido, requer um potencial denominado de: Tensão da barreira de potencial ou tensão de junção (Vj), tensão de limiar (V ) ou ainda tensão de limiar (threshold (VTH)). Diodo de Si Vj=0,7V Diodo de Ge Vj=0,3V 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 19 5DIODO SEM POLARIZAÇÃO CAMADA (REGIÃO) DE DEPLEÇÃO Cristal P Cristal N Não há fonte de tensão *O valor da tensão da camada de depleção é um valor teórico e que na prática poderá variar: 0,5V < Si < 0,7 V 0,2V < Ge <0,3 V 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 20 10

11 5.1POLARIZAÇÃO DIRETA: Vcc < Vj Inicialmente o terminal positivo da fonte Vcc no cristal P e o terminal negativo no cristal N. Vcc com aumento gradativo do seu potencial. O aumento do potencial de Vcc força o deslocamento de portadores para o interior de cada cristal. Portadores: cargas elétricas com a capacidade de movimento. A análise do fenômeno de condução baseiase no sentido real da corrente elétrica. 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor POLARIZAÇÃO DIRETA: Vcc Vj Aumento do potencial da fonte de alimentação Vcc. Portadores injetados ID ID Vcc 0,7V ou 0,3V (Si) (Ge) O aumento da quantidade de portadores no interior do cristal provoca o aumento do campo elétrico entre os cristais a tal ponto de que a camada de depleção é vencida a partir de um potencial denominado tensão de limiar (V ), joelho (Vj) ou threshold (VTH). Diodo CONDUZ A K chave elétrica fechada 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 22 11

12 5POLARIZAÇÃO INVERSA ou REVERSA Cristal P Vcc Cristal N Camada de depleção aumenta Diodo NÃO conduz 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor CORRENTE DE SATURAÇÃO IS: Polarização reversa Uma das componentes da corrente do diodo. Corrente devido ao fluxo dos portadores minoritários. Independe da polarização, sempre há a circulação da corrente de saturação. Condição: polarização reversa Is Cristal P Vcc Cristal N Is Portadores minoritários 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 24 12

13 5.2CORRENTE DE SATURAÇÃO IS: Polarização reversa A denominação corrente de saturação justificase por se tratar de um valor que alcança o valor máximo rapidamente e, não muda significativamente a intensidade com o aumento do potencial de polarização. A ordem de grandeza de Is para é na faixa de na a A. 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor CORRENTE DE SATURAÇÃO IS: Polarização direta Condição: polarização direta Iportadores majoritários Cristal P Iportadores minoritários Vcc > Vj I DIODO = Imaj Isat 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 26 Cristal N A corrente resultante no diodo é a diferença entre a corrente dos portadores majoritários e a corrente de saturação. Portadores minoritários 13

14 6CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO SEMICONDUTOR Curva característica do diodo ID = f(vd) I D (A) Is Vj V D (V) Is corrente de saturação. Resultante do movimento dos portadores minoritários. Polarização reversa Polarização direta 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 27 RESUMO DO DIODO SEMICONDUTOR Polarização Direta Polarização Reversa A K A K ID A A K K ID (limitada pelo circuito) Camada de depleção região da junção do cristal N e P onde não há portadores de eletricidade. Tensão de joelho, tensão de limiar tensão direta que faz o diodo operar como chave eletrônica fechada. Vj=0,7 (Si) Vj=0,3V (Ge) Is corrente de saturação. Resultante do movimento dos portadores minoritários. Exercícios sobre a física dos semicondutores estão disponíveis na webpage. a/exerc_fisicasemicondutor.pdf 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 28 14

15 FOLHA DE DADOS DATA SHEET Seção 1.9 oylestad Diodo 1N4007 pertence a família 1N4000. Interpretação da folha de especificação: Características elétricas e mecânicas sobre o componente. Nomenclatura para os parâmetros têm sua origem na língua inglesa. Faixa mínima, máxima e típica de operação para uma dada condição de teste (ºT, Iteste, Vteste,...) Os gráficos: atenção às unidades e tipo da escala (logarítmica) Data ooks 8 Mar 17 AT02Formação do diodo semicondutor 29 15