UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ELETRÔNICA 1 - ET74C -- Profª Elisabete N Moraes SEMICONDUTOR

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1 UNIVERSIDDE TECNOLÓGIC FEDERL DO PRNÁ DEPRTMENTO CDÊMICO DE ELETROTÉCNIC ELETRÔNIC 1 ET74C Profª Elisabete N Moraes UL 2 FORMÇÃO DO DIODO SEMICONDUTOR Em 21 de agosto de REVISÃO: OPERÇÃO SIMPLIFICD Componente eletrônico não linear, polarizado. Sua operação depende da polaridade da fonte de alimentação. tua como uma chave eletrônica, desde que adequadamente polarizado. Funcionamento simplificado: a) Polarização Direta P N K DIODO CONDUZ Vcc Chave eletrônica fechada b) Polarização Reversa P N K DIODO NÃO CONDUZ Vcc Chave eletrônica aberta Seta: sentido da corrente convencional e cristal N. 2 1

2 CRISTL INTRÍNSECO 3 PROCESSO DE DOPGEM Isto é feito adicionandose uma quantidade rigorosamente controlada de impurezas (elétrons ou lacunas) adequadas durante a elaboração do cristal. Processo de adição de impurezas é denominado de Dopagem ou Doping. O cristal dopado passa a ser denominado de cristal extrínseco. é OU uraco ou lacuna = ausência carga negativa b 4 2

3 CRISTL TIPO N Um método de dopagem, consiste na utilização de elementos contendo cinco elétrons de valência ou pentavalentes, como o ntimônio (), rsênio (s) e Fósforo (P). Por exemplo, o antimônio é adicionado ao Si ou Ge puro fundido na razão de 1 para dez milhões de átomos (1/ ). Impureza pentavalente : 5é na camada de valência 5 CRISTL TIPO N Temperatura gera a agitação térmica na forma de energia cinética 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 doadora ou pentavalente. Força 5é e núcleo fraca élétron livre gitação térmica Energia cinética 6 3

4 CRISTL 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. Os íons positivos de (ou cátions) não podem moverse porque constituem a parte fixa da estrutura cristalina. 7 CRISTL 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 lumínio (l). Esta imperfeição na ligação é chamada de buraco, hole, ou lacuna. Ela age como uma carga positiva, pois tende a atrair e capturar qualquer elétron disponível nas vizinhanças. 8 4

5 CRISTL TIPO P Os portadores majoritários são as lacunas, enquanto que os minoritários são os elétrons livres. Os íons negativos de o (ou ânions) não podem moverse porque constituem a parte fixa da estrutura cristalina. 9 FORMÇÃO DO DIODO SEMICONDUTOR Junção PN Processo de recombinação dos portadores, dá origem a uma região desprovida de portadores de carga elétrica móveis região de depleção. 10 5

6 DETLHMENTO D JUNÇÃO PROCESSO D RECOMINÇÃO CRISTL tipo P CRISTL tipo N 11 FORMÇÃO DOS ÍONS/CMD DE DEPLEÇÃO CRISTL tipo P CRISTL tipo N Não há lacunas Não há é livres Íon negativo NION nodo Íon positivo CTION Catodo K 12 6

7 REGIÃO/CMD DEPLEÇÃO E 13 JUNÇÃO 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 região depleção. 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 limiar (threshold (VTH)). Diodo de Si Vj=0,7V Diodo de Ge Vj=0,3V 14 7

8 DIODO SEM POLRIZÇÃO 15 POLRIZÇÃO DIRET Inicialmente o terminal positivo da fonte Vcc no cristal P e o terminal negativo no cristal N. Cristal P Cristal N Vcc 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. análise do fenômeno de condução baseiase no sentido real da corrente elétrica. 16 8

9 POLRIZÇÃO DIRET umento do potencial Vcc. Vcc 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 K 17 DIODO DIRETMENTE POLRIZDO polaridade da fonte é responsável pelo aumento do nível de energia dos portadores majoritários, com isso penetram nos cristais opostos. ssim que penetram são capturados, mas por estarem na camada de valência, são facilmente liberados. Esse processo se estende cada vez mais para dentro do cristal até chegar no terminal oposto. Com isso estabelecese um fluxo de cargas entre os seus terminais. corrente resultante no diodo é a diferença entre a corrente dos portadores majoritários e a corrente de saturação (portadores minoritários). O valor da tensão da barreira de potencial é definida em: Vj = 0,7 V Si Vj = 0,3 V Ge 18 9

10 CORRENTE DE STURÇÃO IS Corrente devido ao fluxo dos portadores minoritários. denominação saturação justificase por se tratar de um valor que alcança o valor máximo rapidamente e, não mudar significativamente a intensidade com o aumento do potencial de polarização. ordem de grandeza de Is para Si é na faixa de n e Ge u. Portadores minoritários Is Is 19 POLRIZÇÃO REVERS K Cristal P Cristal N Vcc Camada de depleção aumenta Diodo NÃO conduz 20 10

11 REPRESENTÇÃO GRÁFIC DO COMPORTMENTO DO DIODO SEMICONDUTOR a camada de depleção impede a circulação de corrente. Nesta condição o diodo comportase como uma chave eletrônica aberta. a camada de depleção começa a ser vencida e iniciase a circulação de portadores. Nesta condição o diodo está na transição entre o estado de não condução para o de condução. I D () Vj V D (V) C a tensão de joelho é alcançada e com isso o diodo passa ao estado de condução plena. Há o fluxo contínuo de portadores. corrente é limitada pela resistência elétrica do circuito. Polarização direta C 21 REPRESENTÇÃO GRÁFIC DO COMPORTMENTO DO DIODO SEMICONDUTOR Curva característica do diodo ID = f(vd) I D () Curva característica do diodo ID = f(vd) Is Vj V D (V) Is corrente de saturação. Resultante do movimento dos portadores minoritários. Polarização reversa Polarização direta 22 11

12 ÇÃO D TEMPERTUR O número de portadores livres de corrente em um cristal semicondutor depende da intensidade de dopagem do cristal e do percentual de átomos ionizados da impureza. razão de átomos ionizados cresce com a temperatura, portanto um aumento de temperatura causa um aumento na condutividade. 23 OPERÇÃO DO DIODO IDEL Polarização Direta K Polarização Reversa K Exercícios sobre a física dos semicondutores estão disponíveis na webpage

13 Seção 1.9 oylestad FOLH DE ESPECIFICÇÕES DT SHEET 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) 25 13