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Materiais Semicondutores

Universidade Federal de So Carlos

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Materiais Cristalinos

Cristais so materiais que apresentam um arranjo regular e

peridico de tomos ou ons. O cristal pode ser entendido como

sendo composto pela repetio espacial de um determinado

arranjo de tomos, conhecido por clula unitria. Exemplos de

clulas unitrias:

FCC BCC HCP

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Teoria de bandas em cristais

O eltron livre pode assumir qualquer nvel de energia. Ligado a um

tomo pode assumir apenas nveis especficos de energia. Num slido

cristalino os nveis permitidos transformam-se em bandas de energia.

E E E

Eltron

livre Eltron

ligado a um tomo Eltron

num slido

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Teoria de bandas em cristais

No material isolante a alta energia da banda proibida faz com que existam

poucos eltrons livres. J no semicondutor, a energia do gap sendo

menor haver um nmero maior de eltrons livres. No condutor, a

inexistncia do gap indica grande quantidade de eltrons livres.

Isolante Semicondutor Condutor

E E E

Eg Eg

Diamante: Eg=5 eV

xido de silcio: Eg=8eV

Silcio: Eg=1,1 eV

Germnio: Eg=0,7 eV

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Materiais Semicondutores

Os eltrons da banda de valncia so os que tem facilidade de sair do

tomo. Em primeiro lugar, porque eles tm uma energia maior e, em

segundo lugar, porque, por estarem a uma distncia maior em relao

ao ncleo a fora eletrosttica menor. Por isso uma pequena

quantidade de energia recebida faz com que o eltrons se tornem

livres, estes tem que sair da banda de valncia e ir para a banda de

conduo, sendo capazes de se movimentar pelo material. Sob a ao

de um campo eltrico tem-se a corrente eltrica.

Banda de

Valncia

Banda de

Conduo

Energiaeltron livre

I = Corrente Eltrica

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< =Lacuna (falta de eltron)

Materiais Semicondutores

Recombinao Par Eltron-Lacuna

Em um cristal semicondutor ocorre infinitamente este efeito

Recombinao Par Eltron-

Lacuna

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Materiais Semicondutores Dopagem

Consiste em alterar as caractersticas eltricas e fsicas de um cristal

semicondutor pela substituio de alguns tomos tetravalentes por

tomos trivalentes ( 3 eltrons na rbita de valncia) ou pentavalentes

(5 eltrons na rbita de valncia). Esses tomos so denominados de

impurezas, e o semicondutor dopado denominado impuro ou

extrnseco.

Semicondutor tipo P

A dopagem de um cristal de Si ou Ge com impurezas trivalentes

(alumnio, glio ou boro) ocasiona ligaes covalentes incompleta, de

forma que o cristal dopado fica com excesso de lacunas.

Semicondutor tipo N

A dopagem de um cristal de Si ou Ge com impurezas pentavalentes

(fsforo ou antimnio), formam ligaes covalentes de forma que o

cristal dopado fica com excesso de eltrons

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Materiais Semicondutores Semicondutor tipo P

Semicondutor tipo P:

Portador Majoritrio: lacuna

Portador Minoritrio: eltrons

Semicondutor tipo N

Portador Majoritrio: eltrons

Portador Minoritrio: lacunas

Semicondutor tipo N

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Materiais Semicondutores

Juno PN

Quando a unio dos cristais realizada, ocorre o processo de difuso,

isto , o excesso de eltrons do lado N so atrados pelo excesso de

lacunas presentes no lado P e do lado P para o N, provocando diversas

recombinaes de pares eltron-lacuna

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Materiais Semicondutores

Juno PN

Com a unio, forma-se ons positivos no lado N e ons negativos do

lado P;

O aumento da ionizao faz com que o processo de difuso cesse;

Essa camada ionizada em torno da juno fica com ausncia de

portadores devido as recombinaes. Ela denominada camada de

depleo;

Na camada de depleo surge um campo eltrico no sentido dos ons +

para os negativos. Como os eltrons se movimentam no sentido

contrrio do campo, a camada de depleo impede a passagem de

portadores majoritrios. Esse impedimento denominado barreira de

potencial Vy .

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Materiais Semicondutores

Juno PN

Em temperatura ambiente, a juno PN formada por

semicondutores de Si gera um VT = 0,7V e o Ge um VT =

0,3V.

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Materiais Semicondutores

Polarizao Direta da Juno PN

Observe que nesta condio o potencial externo aplicado

VD > VT, gera um campo eltrico externo contrrio ao

campo eltrico interno. Isto faz com que os eltrons do lado

N e lacunas do lado P sejam acelerados para dentro da

regio de depleo, iniciando o processo de desionizao,

ocasionando a diminuio da camada de depleo,

favorecendo o surgimento de uma corrente (corrente direta

ID) devido aos portadores majoritrios, de alta intensidade.

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Materiais Semicondutores

Polarizao Direta da Juno PN

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Materiais Semicondutores

Polarizao Reversa da Juno PN

Nesta condio, o plo positivo da fonte atra os eltrons do

lado N, gerando mais ons positivos, e o plo negativo da

fonte fornece eltrons para se recombinarem com as

lacunas do lado P, gerando mais ons negativos. A ionizao

excedente aumenta a camada de depleo impossibilitando

o fluxo de portadores majoritrios.

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Materiais Semicondutores

Polarizao Reversa da Juno PN

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Materiais Semicondutores

Curva caracterstica da juno PN

IRmxEfeito Avalanche (Ruptura)

Is = corrente de saturao reversa

K = 8,617*10-5 cte de Boltzmann

q = 1,602*10-19 Carga do eltron

Tk = Tc + 273

1**

k

D

TK

qV

SD eII

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Aula 1 - Transistores de efeito de campo

Professor: Carlos Alberto De Francisco

Universidade Federal de So Carlos

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Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Idias bsicas:

Fonte de corrente

controlada por corrente

Fonte de corrente

controlada por tenso

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Caractersticas:

Transistor unipolar (apenas portadores

majoritrios);

Alta impedncia de entrada (1-100 MW);

Baixo rudo;

Maior estabilidade trmica;

Processo de fabricao mais simples;

Permite maior integrao.

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Idias bsicas:

(Fonte)

(Porta)

(Dreno)

Fonte de corrente

controlada por tenso

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Estrutura:

A regio dopada tipo n possui eltrons

livres (portadores majoritrios);

A regio de depleo no possui

portadores livres, portanto, no permite

conduo.

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Polarizao: VGS=0; VDS positivo:

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Polarizao: VGS=0; VDS positivo: Estrangulamento

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Curva ID x VDS:

Nvel de saturao

Aumento da resistncia

devido ao estreitamento

do canal

Resistncia do canal n

IDSS= a corrente mxima

De dreno para um JFET

Sendo definida pela

condio VGS=0 e VDS>|VP|

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Polarizao: VGS

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Operao linear

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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0

2

4

6

8

10

-4 -3 -2 -1

VGS em volts

ID em mA

Curva de transferncia

ID = IDSS 1- VGS

VGS(off) ( )

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Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Levantamento da curva de transferncia:

Transistor de efeito de campo de juno (JFET) tipo P

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Transistor de efeito de campo de juno (JFET) tipo P

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Regio de

ruptura

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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JFET canal n JFET canal p

Simbologia:

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Resumo:

IDSS= a corrente mxima

de dreno para um JFET

Sendo definida pela

condio VGS=0 e VDS>|VP|

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Resumo:

Para tenses VGS= mais

negativas do que o valor de

estrangulamento, a corrente de

dreno 0 A.

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Resumo:

Para todos os valores de VGS

entre 0 V e o valor de

estrangulamento, a corrente de

dreno varia entre IDSS e 0.

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Curva caracterstica de transferncia:

BJT JFET

Equao de Shockley

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Levantamento da curva de transferncia: Exemplo

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Levantamento da curva de transferncia: Mtodo simplificado

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Exemplo:

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Potncia dissipada:

Transistor de efeito de campo de juno (JFET)

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Comparao entre JFET e BJT: