Dispositivos e Circuitos Eletrônicos: Semicondutores e a Junção pn - Prof. Silva, Notas de aula de Análise Complexa

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Dispositivos e Circuitos

Eletrônicos

AULA 04

Prof. Marcelino Andrade

Universidade de BrasíliaFaculdade de TecnologiaDepartamento de Engenharia Elétrica

Dispositivos e Circuitos Eletrônicos

Os metais

Teoria do Gás Eletrônico:

em um metal os elétrons estão em

movimento contínuo, sendo sua direção mudada após cada colisãocom os íons pesados. A distancia média entre colisões é chamada de livre caminho médio.

O Silício Intrínseco

-^

“Um cristal de silício puro ou intrínseco tem uma estrutura comorganização atômica regular em que os átomos são mantidos emsuas posições por ligações chamadas de ligações covalentes”Sedra/Smith

• A temperatura ambiente algumas ligações são rompidas pela ionização térmica ealguns elétrons são libertados, produzindo “elétrons livre” e as chamadas“lacunas”.

O Silício Intrínseco

-^

Taxa de Recombinação de Elétrons/Lacunas:

a taxa de recombinação

é proporcional ao número de elétrons livres e de lacunas, que por suavez é determinado pela taxa de ionização;

-^

A Taxa de Ionização

: função muito dependente da temperatura;

-^

No Equilíbrio Térmico?

a taxa de recombinação é igual à de ionização,

sendo a concentração de elétrons livres n, igual a de lacunas p.

-^

Da Física dos Semicondutores, considerando uma temperatura absoluta T^ B - é um parâmetro dependente do material =E

G^

• Largura de energia da faixa proibida (energia mínima para romper a ligação covalente)K - constante de Boltzmann

Mobilidade dos portadores em

semicondutores

-^

Difusão e Deriva

: mecanismos pelos quais as lacunas e os elétrons

se movem através de um cristal de silício (Difusão e Deriva).

-^

A Difusão:

Esta associada ao movimento aleatório devido a agitação

térmica, sendo seu valor proporcional à inclinação da curva deconcentração, ou ao gradiente da concentração, naquele ponto

Densidade de Corrente de Lacunas e Elétrons [A/cm Constante de Difusão

2 ]

Mobilidade dos portadores em

semicondutores

-^

Os Elétrons Livres derivarão na direção oposta a de E.Assim, temos uma carga de densidade

movendo

na direção contrá

ria a x, com uma velocidade negativa

.^

.O resultado de corrente é uma componente de

corrente positiva, com sua densidade sendo dada por:

-^

Densidade total de corrente de deriva:

-^

Lei de Ohm com resistividade

-^

Por fim, a relação de Einstein:

Semicondutor Dopado

-^

A dopagem de um cristal de silício é obtida pela introduçãode um pequeno número de átomos de impureza, tornado ocristal denominado do tipo n ou p.

Impureza pentavalente (ex. fósforo)

Impureza tretavalente (ex. boro)

Quem é do típo n e do tipo p????

Semicondutor Dopado

-^

No cristal de silício do tipo

n

, os portadores de cargas

majoritárias são os elétrons. Na verdade, se a concentraçãode átomos doadores (fósforo) for

N

D^

(carga positiva), no

equilíbrio térmico a concentração de elétrons livres no silíciotipo n, n

no

, será:

-^

OBS.: na verdade NDa física de semicondutores decorre que, em equilíbriotérmico, o produto da concentração de elétrons pelaconcentração de lacunas permanece constante, isto é:

• p = ND

• n, como NA

=0 e n>>p, temos n~=NA

D

SIMILAR PARA ELÉTRONS!!!

A Junção pn em Circuito Aberto

-^

Corrente de Difusão I

:D pelo fato da concentração de lacunas ser alta

na região

p

e baixa na região

n

, as lacunas se difundem através da

junção do lado

p

para o lado

n

. De modo similar, os elétrons se

difundem através da junção do lado

n

para o lado

p.

-^

Região de Depleção:

lacunas se difundem na região

n

e desaparecem

(se recombinam), elétrons se difundem na região

p

e desaparecem (se

recombinam). Assim, ocorrerá a formação de uma região de cargasdescobertas próxima a junção é o surgimento de um Campo Elétrico

E

que se opõe à difusão de lacunas na região

n

e elétrons na região

p

.

A Junção pn em Circuito Aberto

-^

Equilíbrio e Tensão da Barreira:

se I

ID

, mais cargas fixas estarãoS

descobertas de ambos os lados da junção, a camada de depleção setornará mais larga e o valor de tensão sobre ela aumentará. Isso, porsua vez, fará com que I

D^

diminua até que seja atingido o equilíbrio com

ID

=I

.por outro lado. Se IS

IS

, então a quantidade de carga fixas emD

descoberto diminuirá, a camada de depleção se tornará mais estreita ea tensão nela diminuirá. Isso faz com que I

D^

aumente até que o

equilíbrio I

=ID

S^

seja atingido.

A Junção pn em Circuito Aberto

-^

A tensão Interna:

Sem a aplicação de uma tensão externa, a tensão

Vo da junção pn pode se deduzida como sendo dada por:

-^

Obs.: quando os terminais da junção são deixados em aberto,a tensãomedida entre eles e zero. Ou seja, a tensão Vo da junção não aparecenos terminais do diodo. Isso se deve à tensões de contato metal-semicondutor que possuem valores contrários.

Lei da Conservação da

energia!!!!

A Junção pn na polarização Reversa

-^

A fonte de corrente I no sentido reverso e com I<IS:

pelo circuito

externo, elétrons deixam o material

n

e lacunas deixam o material

p

.

-^

Resultado:

aumento das cargas fixas positivas descobertas em

n

e das

cargas fixas negativas descobertas em

p

, e conseqüente aumento da

região de depleção, na tensão

Vo

e diminuição da corrente de difusão

ID

. Como I

S^

não depende da tensão Vo (ionização térmica), temos no

equilíbrio:

A Junção pn na ruptura

-^

A fonte de corrente I no sentido reverso e com I>IS:

dois

mecanismos possíveis de ruptura são possíveis, o efeito zener e oefeito avalanche. Esses efeitos são provocados pelo aumento dacamada de depleção e conseqüente elevação do campo elétrico.

-^

Ruptura Zener:

o campo elétrico na camada de depleção aumenta até

o ponto capaz de quebrar uma ligação covalente e gerar um par eletron-lkacuna. Os elétrons gerados serão acelerados pelo campo elétricopara o lado n e as lacunas para o lado p, constituindo um correntereversa que sustenta I.

-^

Ruptura Avalanche:

os portadores de minoritários que cruzam a região

de depleção sob a influencia do campo elétrico ganham energia cinéticasuficiente para quebrar as ligações covalentes dos átomos que elescolidem, gerando um efeito avalanche onde a tensão permanece quaseconstante e a corrente reversa sustenta I.