Teoria dos dispositivos Semicondutores

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1 Teoria dos dispositivos Semicondutores Capítulo 6 Dispositivo semicondutores Universidade de Pernambuco Escola Politécnica de Pernambuco Professor: Gustavo Oliveira Cavalcanti Editado por: Arysson Silva de Oliveira

2 1 Dispositivos semicondutores Estudaremos a junção entre semicondutores dos tipos p e n (junção p-n), que servirá de base para compreensão da operação dos dispositivos. Faremos as seguintes aproximações: ᵒ Considerar que as grandezas variam em uma dimensão. ᵒ Supor que a junção é abrupta. Aproximação Real Cargas não compensadas = transição depleção Considerado ôhmico ᵒ Supor inicialmente que as regiões p e n de um semicondutor estão afastadas. E, agora são postas em contato. Como há excesso de elétrons em relação a buracos no lado n, há uma difusão de elétrons do lado n para o lado p. Do mesmo modo, difusão de buracos do lado p para o lado n. Estas camadas de cargas criam um campo elétrico ε dirigido do lado n para o lado p, que se opõe a continuação do movimento de cargas causadas pela difusão. O campo ε empurra os buracos de volta para o lado p e os elétrons de volta ao lado n. Ao atingir o regime estacionário, a corrente de deriva e de difusão (ou seja, a corrente total) é nula.

3 2 A região nas proximidades da junção é chamada de transição ou depleção. O campo ε criado nessa região corresponde a uma diferença de potencial V o entre o lado n e o lado p. Essa diferença de potencial tende a impedir a passagem de portadores majoritários do lado p para o lado n, e os portadores majoritários do lado n para o lado p. Quando dois semicondutores são colocados em contato, as cargas fluem de um lado para o outro até que o nível de Fermi se iguale. Quando isto ocorre o sistema atinge o equilíbrio. O potencial de contato V o é dado pela seguinte equação: e, o valor máximo do potencial é e vale 1,12V para o silício e 0,68V para germânio. Carga e campo na junção em equilíbrio Vamos aproximar a distribuição de cargas por uma função simples e calcular o campo e potencial a partir dela. Aproximação de depleção Junção neutra onde, K, e c são constantes

4 3 Na região de carga espacial (depleção) - Elétrons e buracos em trânsito permanente - Há poucos elétrons e buracos, pois eles são varridos pelo campo elétricos. Doadoras = lado n - As cargas da região são devidas aos íons das impurezas não compensadas Aceitadoras = lado p - Como a diferença de potencial entre os dois lados é produzido por duas camadas de carga, a junção tem uma capacitância C. Corrente na junção polarizada Quando uma junção é polarizada o equilíbrio é alterado resultando numa corrente cujo sentido depende da tensão aplicada V. - V aparece quase inteiramente na região de depleção. (Maior resistência menos portadores) - Na polarização direta (Figura b) uma tensão externa é aplicada de p para n, diminuindo a barreira de potencial. - Na polarização reversa ou indireta (figura c) é quando a tensão externa é aplicada de n para p, aumentando a barreira de potencial. Vamos determinar a característica I-V da junção. Adotamos V positivo no sentido direto e negativo no sentido reverso. Quando uma tensão positiva é aplicada a corrente entre pelo lado p e sai pelo n.

5 4 - Longe da região de depleção a corrente é de deriva e dominada pelos portadores majoritários. - Esses portadores se movem em direção a região a região de depleção onde se encontram produzindo: Recombinação Difusão no lado oposto Comprimento de difusão >> região de carga especial Mudança de coordenada para facilitar os cálculos Aproximação de que a recombinação na região de depleção é desprezível Em regime estacionário a corrente total é a mesma em qualquer seção da junção e também igual a corrente I. Assim podemos calcular a corrente total como a soma das correntes de difusão de buracos e elétrons e obtemos: Tensão crítica G e = 0,2 a 0,4v S i = 0,6 a 0,8v

6 5 Para tensões negativas e muito maiores que (0,026V temperatura ambiente) I - I s ( I s é a corrente de saturação reversa. semicondutores. Corrente de saturação em função dos parâmetros dos Heterojunções É uma junção formada por dois materiais intrinsecamente diferentes. Quando os materiais são diferentes o diagrama de energia exibe uma descontinuidade na interface. Semicondutores diferentes Metais e semicondutores W o = Função trabalho Energia necessária para arrancar um elétron do interior do material. Junção Metal-semicondutor: Após a formação da junção ocorre uma transferência de cargas de um lado para o outro de modo a igualar os dois níveis de Fermi. O sentido do deslocamento de carga depende das funções trabalho. Além disso os buracos não podem passar do semicondutor para o metal. Se uma heterojunção é formada por um metal e um semicondutor do tipo n,(figura a) e, o metal arranca elétrons do semicondutor, deixando-o menos condutivo. Assim esta junção apresenta uma característica I-V semelhante a de uma junção p-n. Caso,, ocorrerá a formação de um contato ôhmico, pois os elétrons são

7 6 Heterojunção de semicondutores: Os diferentes Gaps de energia produz uma descontinuidade de energia. Essas junções são normalmente produzidas para controlar o Gap do material. portadores majoritários no semicondutor, não formando assim, a barreira de potencial. Por outro lado, uma heterojunção formada por um semicondutor tipo p e um metal, com, o semicondutor arranca elétrons do metal ficando menos condutivo, assim, esta junção apresenta uma característica I-V semelhante a p-n. Caso,, o metal arrancaria elétrons do semicondutor, deixando o mais condutivo, formando assim um contato ôhmico. Diodo de junção O diodo é um dispositivo eletrônico de dois terminais que só deixa passar corrente num sentido. O diodo ideal está representado por:

8 7 Um diodo ideal apresenta resistência infinita para a polarização reversa e um curto-circuito quando polarizado diretamente. Quando são polarizados diretamente, a corrente só alcança intensidade substancial quando a tensão é próxima ou maior que um valor crítico E o. Os diodos podem ser fabricados para baixa, intermediária e alta corrente. Normalmente trabalhamos com o circuito aproximado equivalente: G e S i G a A s E o 0,2 a 0,4V 0,6 a 0,8V 1,0 a 1,2V Aplicações: Os diodos têm inúmeras aplicações. Uma das mais tradicionais é a retificação de onda, empregada em fontes de alimentação. Outra aplicação é como detector de pico. Obs.: Para tensões alternadas, deve-se analisar o efeito da capacitância na junção, formada pelo atraso no tempo de difusão das cargas na proximidade da junção.

9 8 Diodo de barreira Schottky O contato metal-semicondutor com barreira de potencial tem característica I-V semelhante da junção p-n. Obs.: Corrente devido a portadores majoritários. Melhor resposta em frequência Circuitos de alta frequência ou chaveamento rápido Maior corrente de saturação ( portadores majoritários ) Menor tensão crítica Ruptura na polarização reversa: Diodo zener Campos elétricos de altas intensidades quebram as ligações covalentes e ionizam átomos da rede. Os elétrons liberados são acelerados, passando para o lado n da junção produzindo corrente. - V pequeno - e = Grandes (fortemente dopados) - Zener Avalanche