Diodo de Junção 1 Cap. 3 Sedra/Smith Cap. 1 Boylestad JUNÇÃO SEMICONDUTORA PN Notas de Aula SEL 313 Circuitos Eletrônicos 1 1 o. Sem/2016 Prof. Manoel
Fundamentos e Revisão de Conceitos sobre Semicondutores Semicondutores : material cuja condutividade/resistividade situa-se entre as dos materiais condutores e isolantes. Cobre (Cu) 10-6 -cm Silício (Si) 50 10 3 -cm ISOLANTES 10 12 -cm Germânio (Ge) 50 -cm Material Semicondutor típico em Eletrônica Silício puro (intrínseco) Z = 14 (9N) 99,999999999% puro (3 camadas eletrônicas) (11N) (célula solar) 4 elétrons de valência Germânio (intrínseco) Z = 32 (4 camadas eletrônicas) 4 elétrons de valência
Material Semicondutor Formam estrutura cristalina regular ; Abundantes na natureza, principalmente o silício (areia); Permitem fabricação com alto grau de pureza; -1 cm 3 contem 5 10 22 átomos de Si. ( talvez : 500 000 000 000 impurezas ) - Na temperatura ambiente encontram-se 1,5 10 10 pares elétrons/lacunas livres, portanto 1 em cada um Bilhão de átomos encontra-se ionizado. - Para o Cobre (Cu-29)-material condutor 8,5 10 23 átomos/cm 3 átomos com um elétron livre por átomo. (pureza 3N a 7N) Figura 1.1 - Tabela periódica dos elementos químicos.
Material Semicondutor - Cada um dos elementos típicos possuem 4 elétrons de valência que formarão ligações covalentes com átomos adjacentes e constituirão a rede cristalina do material. Elétrons de valência Ligações covalentes Camadas Núcleo Átomos de silício Elétrons de valência (c) Figura 1.2 - Representação do Si e do Ge: (a) e (b); (c) Rede cristalina do silício intrínseco (puro)
Elétrons/Lacunas livres Elétrons de valência Elétrons livre 1,5 10 10 pares de elétrons/lacunas livres a 300 o K e a cada cm 3. Carga elétrica Ligação Covalente desfeita Ligação covalente Lacuna livre Átomo de silício total NULA Figura 1.3 - Rede cristalina em temperatura ambiente com pares de elétrons/lacunas livres.
Concentração de cargas - Havendo concentração de cargas, pode-se representar o nível de concentração de carga positivas p ( ou negativas n) de forma gráfica. - Eliminando o efeito concentrador, ocorre Difusão de cargas até atingir um regime de distribuição uniforme e aleatória. Concentração p Figura 1.4 - Concentração e difusão de cargas.
Silício Dopado ou Extrínseco - A DOPAGEM visa alterar as características do material puro acrescentando controladamente impurezas que aumentarão o número de elétrons ou lacunas livres controle e alteração da condutividade final. Resultado : Silício tipo P ou tipo N -Silício Tipo P : dopagem com impurezas Trivalentes como Boro (B/5) ou Gálio (Ga/31) ou Índio (In/49). Impureza aceitadora. Haverá excesso de Lacunas-Livres
Silício Dopado ou Extrínseco Silício Tipo N : dopagem com impureza Pentavalente tal como Fósforo (P/15) ou Arsênio (As/33) ou Antimônio (Sb/51). Impureza doadora (de elétrons) Haverá excesso de Elétrons-Livres (A dopagem P ou N não afeta os 1,5 10 10 portadores/cm 3 do efeito térmico)
Silício Dopado ou Extrínseco - A Dopagem é um processo tecnológico que no caso do silício introduz-se em média 1 átomo de impureza a cada 10 7 átomos de Si. - Dependendo a aplicação, a concentração final de impurezas atinge 10 15 a10 17 por cm 3. Somente após este processo de Dopagem o semicondutor (silício ou germânio) se tornam útil para os propósitos de fabricação de componentes eletrônicos. - Cada um dos tipos de silício dopado P ou N ainda tem carga total nula, pois cada aceitador ou doador gera um par de cargas opostas.
-Um silício tipo P apresenta impureza trivalente com uma ligação covalente incompleta (ou com uma lacuna) e que aceitará elétrons livres do efeito térmico. Silício tipo P Elétrons de valência Figura 1.5 - Silício tipo P. Ligações covalentes Átomo de silício Impureza Trivalente (aceitadora) Lacuna
-Umsilício tipo N apresenta impureza pentavalente com uma ligação covalente completa e um elétron em excesso, que fica livre ou fracamente ligado ao seu átomo. Este elétron pode ainda se recombinar com lacunas livres geradas por efeito térmico. Silício tipo N Elétrons de valência Figura 1.6 - Silício tipo N. Ligações covalentes Elétron- Livre doado pela impureza Impureza Pentavalent e (doadora) Átomo de silício
Portadores de carga - No semicondutor dopado distingue-se os: Portadores Majoritários provenientes da dopagem Portadores Minoritários gerados termicamente No tipo N : elétrons são Majoritários e lacunas Minoritárias No tipo P : lacunas são Majoritárias e elétrons Minoritários Íons doadores Fixos Íons aceitadores Fixos Portadores Majoritários Livres Tipo N Portadores minoritários Portadores Majoritários Livres Tipo P Portadores minoritários Figura 1.7 - Portadores majoritários e minoritários.
Junção PN - Resulta da junção IDEAL de dois materiais semicondutores (silício) dopados e de tipos diferentes. Região de Depleção Tensão de Barreira V 0 Figura 1.8 - Junção PN aberta e potencial de junção V 0.
Junção PN - Devido à alta concentração de portadores majoritários livres em cada uma das partes, ocorre um fluxo de cargas positivas (lacunas) de P para N e de cargas negativas (elétrons) de N para P. - Próximo da junção ocorre então uma recombinação de elétrons e lacunas que estabelecem então íons fixos (átomos fixos) nesta região. - Estes íons geram por sua vez um campo elétrico com potencial positivo na região N e negativo na região P. -Este campo elétrico passa então a atuar como uma barreira para a continuidade de difusão de cargas e portanto da recombinação.
Junção PN - Região de Depleção Esta região de largura fixa e repleta de íons fixos se encontra vazia de cargas livres, ou seja depletada de cargas livres. Daí o nome Região de DEPLEÇÃO. A região de depleção tem largura dependente do nível de dopagem em cada lado e apresenta um potencial V 0, que para o silício é da ordem de 0,6V a 0,8 V. Tipicamente adota-se V 0 =0,7V.
Junção PN polarizada reversamente - Neste caso conecta-se uma bateria com o pólo positivo na região N e o negativo na região P. - Desta forma retira-se elétrons da região N e injeta-se elétrons na região P. - A retirada de elétrons em N expande a região de depleção deste lado e a injeção de elétrons em P promove maior recombinação com lacunas e também expande a região de depleção neste lado. - O efeito final é um aumento da região de depleção que aumenta a tensão de barreira e aumenta o potencial do campo elétrico.
Junção PN polarizada reversamente Com isto uma corrente muito desprezível se mantém no dispositivo. A única corrente no dispositivo é devido aos portadores minoritários gerados termicamente e que sofrem ação do campo elétrico na região de depleção. O aumento da tensão reversa irá aumentar cada vez mais a tensão de barreira e no limite irá danificar o dispositivo.
Junção PN polarizada reversamente Corrente de portadores minoritários Região de Depleção Figura 1.9 - Junção PN reversa.
Junção PN polarizada diretamente Neste caso o terminal positivo da bateria é ligado na região P e o negativa na região N. Agora ocorre injeção de elétrons em N e retirada de elétrons em P. Com mais elétrons ainda na região N e aumento de lacunas na região P a recombinação destes na região de fronteira promove um diminuição da largura da região de depleção.
Junção PN polarizada diretamente Com isto diminui-se a tensão de barreira e o potencial do campo elétrico. O efeito final é um aumento expressivo da corrente entre os terminais da bateria através do dispositivo. Se a tensão da bateria superar o valor da tensão de barreira (0,6V a 0,8V) a corrente no circuito sé será limitada pela resistência interna do semicondutor. Para valores maiores de tensão da bateria deve-se prever um mecanismo de limitação de corrente externamente (resistência externa).
Junção PN polarizada diretamente majorit. majorit. Região de depleção Figura 1.10 - Junção PN direta.
DIODO de JUNÇÃO - É constituído da junção PN vista anteriormente e de terminais metálicos para conexões externas. - Recebe denominação : Região N Catodo Região P Anodo V D = 0,7 V Anodo Corrente direta Catodo Figura 1.11 - Diodo de Junção.
- No caso ideal o diodo : Diodo Ideal se comporta como um curto circuito se polarizado direto e como um circuito aberto se polarizado reverso. conduz uma corrente apenas limitada por um circuito externo ou não conduz nada se polarizado em modo direta ou reverso respectivamente Anodo Catodo... polarização reversa Limite Imax polarização direta... Limite Vmax... polarização reversa polarização direta... Figura 1.12 - Diodo Ideal.
Diodo Ideal - Em resumo, no diodo ideal observa-se : característica (v x i) não-linear (dois segmentos de retas); Tensão de Barreira V D =0V; O diodo conduz para qualquer tensão de catodo positiva em relação ao catodo; EXEMPLO 01 No caso a seguir valem as tensões e correntes indicadas: Polarizado direto Polarizado reverso Figura 1.13 - Modos de operação com diodo ideal.
Retificador com Diodo Ideal - EXEMPLO 02 : A operação fundamental do diodo, em função de sua característica não-linear, é a operação de retificação. Um retificador básico é ilustrado a seguir tendo uma fonte de tensão CA, um diodo ideal e uma resistência externa para limitação de corrente. Figura 1.14 - Retificador. (a) Circuito básico; (b) Forma de onda da tensão da fonte CA v i (t). Em função do diodo a carga (resistor R) só será percorrida por uma corrente I D durante os semi-ciclos positivos da tensão da fonte CA. Semi-ciclo positivo curto-circuito Semi-ciclo negativo circuito aberto
Retificador básico (meia-onda) Tensão de saída (na carga R) Tensão sob o diodo Característica De Transferência vi v0 Figura 1.15 - Operação e formas de onda do retificador.
Retificador básico - EXEMPLO 03 Circuito com duas fontes. Avaliar intervalo de condução do diodo e valor de pico da corrente no diodo. Figura 1.16 - Retificador ideal com duas fontes. Solução: encontrar o instante da tensão da fonte que vale 12. Somente a partir deste instante ocorre polarização direta. i D 24 sen( ) 12 Intervalo 24 12 100 condução 120 ma e 12 arc sen 24 2 120 v D _ REV 30 24 12 36V
Portas Lógicas com Diodos Em muitos casos pode-se gerar circuitos eletrônicos lógicos apenas com diodos, tal como a seguir considerando um padrão TTL. Lógica OR Lógica AND Figura 1.17 - Portas lógicas OR e AND com diodos No primeiro caso basta uma das entradas em nível 1 (5V) que o diodo conduzirá e proporciona 5V na saída. No segundo caso a saída só será 1 (5V) se todas as três entradas estiverem em nível 1 (5V), ou seja, nenhuma corrente circulará em R ea tensão 5V é vista na saída v y.
Exemplos e exercícios com diodos Exercício 01 :ObterV e I dos circuitos a seguir com diodo ideal. Figura 1.18 - Exercício 01.
Exemplos e exercícios com diodos Exercício 02 :ObterV e I dos circuitos a seguir com diodo ideal. Figura 1.19 - Exercício 02.
Anotações Links para animação de fabricação de semicondutores (diodo) http://www.ee.columbia.edu/~bbathula/courses/ssdt/lect14.pdf Crescimento de cristal (Silício) http://www.youtube.com/watch?v=6jv6n-cv7i0&feature=related Produção refino silício http://www.youtube.com/watch?v=eypafmrrpb0&nr=1 http://www.cleanroom.byu.edu/ew_formation.phtml Fabricação Diodo http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_2/12.html Tratamento silício Intel http://www.youtube.com/watch?v=acoyq4yzbty&feature=related
Anotações Links para animação de junção PN http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html http://www.acsu.buffalo.edu/~wie/applet/pnformation/pnformation.html http://pvcdrom.pveducation.org/semicon/pn.htm http://www.st-andrews.ac.uk/~www_pa/scots_guide/info/comp/passive/diode/diode.htm http://www.youtube.com/watch?v=w6queq0nuh8&feature=related
Bibliografia Conteúdo: SEDRA - Pgs. 130 a 148 MALVINO - Pgs. 29 a 74 BOYLESTAD - Pgs. 1 a 7