Física de Semicondutores

Ilha Solteira - 2019

Universidade Estadual Paulista – UNESPFaculdade de Engenharia de Ilha Solteira ‐ FEISDepartamento de  Engenharia Elétrica ‐ DEE

Semicondutor Intrínseco

Ordem da energia: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d

Física de Semicondutores:

Grupo IVA

carvãografite

diamanteC:Carbono.Isolante.

Si, Ge:Silício,Germânio.Semicondutor.

Sn:Estanho.Condutor.

silício

germânio

estanho

estanho

d

Diminuindo o espaçamento interatômico

Single atoms

CrystalBands of Energy

Internal level

Isolante Semi-condutor Condutor

Carbono Silício Estanho

Elétrons e lacunas no semicondutor intrínseco:

Seja n = concentração de elétrons livres, (m3)-1

Condutores: n ~ 1028 elétrons/m3

Isolantes: n ~ 107 elétrons/m3

Semicondutores: n ~ intermediário.

Os elétrons de valência em um semicondutor não estão livres para se deslocarem como se estivessem num metal.

Encontram-se capturados em uma ligação entre 2 íons adjacentes.

Silício semicondutor: retículo cristalino

Silicon Lattice Structure

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Si --

--

Elétronscompartilhados com 4 átomos vizinhos 8

elétrons na camadaexterna

Em 0oK todosos elétrons

sãofortemente

compartilhadoscom os

vizinhos nenhum fluxode corrente

A adição de calor (mesmo na temperaturaambiente) quebra algumas ligações, e os

elétrons podem fluir.

-

Si --

--

Si --

--

-

Elétron livre

Vagadeixada peloelétron. A

carga global no silício é

zero estalacuna deveser positiva

+

+

+

+

Corrente de lacunas

Elétron na banda de valência

Atenção: a separação acima, entre elétrons livres e lacunas (íons positivos), ocorre apenas em termos de energia. Fisicamente, ambas as cargas compartilham o mesmo espaço.

Semicondutor Extrínseco

NÍVEL

Como acontecem mais recombinações que no Si intrínseco, diminui o número de minoritários.

Resumo:

Como acontecem mais recombinações que no Si intrínseco, diminui o número de minoritários.

NÍVEL

Resumo:

Phosphorus Boron

Junção pn: ponto de vista de bandas de energia

ADENDO: O Processo de Difusão de partículasA difusão constitui um exemplo de fenômeno de transporte de matéria em situações nas quais existem gradientes de concentração de uma substância.

Tal substância é transportada devido aos movimentos das moléculas, pelo movimento térmico de todas as partículas a temperaturas acima do zero absoluto.

Estes movimentos fazem com que, do ponto de vista macroscópico, a substânciapasse das zonas de concentração elevada para zonas de baixa concentração.

O fluxo de partículas que tende a homogenizar a dissolução e uniformizar a concentração. continua...

O fluxo homogenizador é uma consequência estatística do movimento aleatório das partículas que dá lugar ao segundo princípio da termodinâmica, conhecido também como movimento térmico casual das partículas.

Sob o ponto de vista microscópico, inicialmente, existem moléculas de soluto ao lado esquerdo da barreira e nenhuma no lado direito. A barreira é removida, e o soluto difunde-se preenchendo inteiramente o recipiente. No topo: Uma única molécula move-se aleatoriamente. Centro: Com mais moléculas, há uma tendência clara, na qual o soluto enche o recipiente

mais e mais uniformemente. Abaixo: Com um enorme número de moléculas de soluto, toda a aleatoriedade se vai. O

soluto parece mover-se suave e sistematicamente das áreas de alta concentração para áreas de baixa concentração, seguindo as leis de Fick.

ADENDO: Linhas de campo elétricoCargas negativas são sumidouros de linhas de campo elétrico, enquanto cargas positivas são sorvedouros dessas linhas.

Quando essas cargas estão suficientemente distantes, se comportam como partículas isoladas e os campos elétricos são radiais e simétricos.

ADENDO: Linhas de campo elétricoCargas negativas são sumidouros de linhas de campo elétrico, enquanto cargas positivas são sorvedouros dessas linhas.

Quando essas cargas estão suficientemente distantes, se comportam como partículas isoladas e os campos elétricos são radiais e simétricos.

Porém, quando se aproximam, essas linhas de campo sofrem deformação.

ADENDO: Linhas de campo elétricoCargas negativas são sumidouros de linhas de campo elétrico, enquanto cargas positivas são sorvedouros dessas linhas.

Quando essas cargas estão suficientemente distantes, se comportam como partículas isoladas e os campos elétricos são radiais e simétricos.

Porém, quando se aproximam, essas linhas de campo sofrem deformação.

+_

ADENDO: Linhas de campo elétricoCargas negativas são sumidouros de linhas de campo elétrico, enquanto cargas positivas são sorvedouros dessas linhas.

Quando essas cargas estão suficientemente distantes, se comportam como partículas isoladas e os campos elétricos são radiais e simétricos.

Porém, quando se aproximam, essas linhas de campo sofrem deformação.

+

Fim do adendo.

ADENDO: Campo elétrico entre placas paralelas:

continua...

E

E

F

F

Elétrons se movem espontaneamente contra as linhas de campo elétrico.

Lacunas se movem espontaneamente na direção das linhas de campo elétrico.

Seria necessário realizar trabalho (força externa) para inverter estes tipos de movimento.

Fim do adendo.

ADENDO: Campo elétrico entre placas paralelas:

IDIF = corrente de difusão (majoritários)

Sentido da corrente elétrica: movimentode cargas positivas.

Circuito aberto: IDIF e IS se cancelam (corrente total nula)

Is = corrente de deriva (minoritários)

Is = corrente de deriva (minoritários)

Elétrons: evitam se mover no sentido do campo elétrico (Idif). São compelidos a se mover contra o campo elétrico (Is).

Lacunas: evitam se mover no sentidocontrário ao campo elétrico (Idif). São compelidos a se mover a favor do campo elétrico (Is).

Is = corrente de deriva

(minoritários)

(As cargas fixas fora da região de depleção foram omitidas)

Aparece um campo elétrico ao longo da região de depleção:

E

Sedra:

Junção metalúrgica PN

Recombinação Depleção

Tipo N

Tipo PRegião de depleção

Tipo N

Tipo N

Tipo N

Tipo P

Tipo P

Tipo P

(a) (b)

(c) (d)

Doador + (fixo)

Aceitador - (fixo)

Lacuna + (móvel)

Elétron – (livre)

Recombinação

ADENDO: Barreira de potencialSeja WAB o trabalho realizado por uma fonte externa ao mover uma carga de prova positiva unitária (q0) de um ponto B ao ponto A em um campo elétrico.

VAB=VA-VB=WAB/q0

Como WAB, q0 >0,

VA>VB

O potencial cresce no sentido contrário às linhas de campo elétrico!!!

continua...

+_

E

+

E

, WextF

E

0 d distância

V

potencial

+

Barreira depotencial

continua...

E

Camada de depleção

Região p Região n

Isto resulta numa diferença de potencial na região de depleção, tendo o lado N com tensão positiva em relação ao lado P barreira de potencial (V0) que tem que ser superada para que as lacunas se difundam pela região N e os elétrons se difundam pela região P.

V0

Quanto maior o valor de V0, menor o número de portadores que serão capazes de vencê-la. A barreira de potencial freia a difusão de portadores.

continua...

E +_

lado n

Barreira de potencial para lacunas:

continua...

Barreira de potencia: analogia

barreira

Analogias:

Patamar plano (ground)

Barreira

Patamar plano

continua...

Existe um campo elétrico nesta região

O potencial cresce no sentido oposto ao campo elétrico:

E

+_

Elétrons são repelidos para longe da junção.

Lacunas são repelidas para longe da junção. Aumenta a largura

da camada de depleção.

Maior campo E = campo em aberto + campo devido à fonte externa.

Pequena corrente de minoritários (IS~10e-15 A)

Pergunta: o que impede de ocorrer uma corrente de elétrons (lacunas) externos a partir da região N (P), após eles passarem pela fonte, e atingirem a camada de condução da região P (N)?Resposta: o nível Fermi!!!!

E

+_

Aumenta-se a largura da camada de depleção

aumento na quantidade de carga fixa armazenada

aumento na barreira de potencial: (VR>V0)

a corrente reversa torna-se muito pequena, I=IS10-15 A.

V0

VR

x0

Sedra:

Redução da barreira de potencial. Elétrons e lacunas conseguem vencer esta barreira.

Campo E menor = (campo em vazio - campo externo)

Grande corrente de condução.

Pergunta: porque os portadores majoritários ao cruzarem a junção não neutralizam totalmente as cargas fixas?Resposta: existe um mecanismo adicional de recombinação entre elétrons e lacunas majoritários (qual???).

Considera-se que a região P é mais fortemente dopada que a região N.

A recombinação faz Ipn(x) e Inp(x) decaírem à zero à medida que se difundem para longe da junção.

As lacunas se difundem da região P para N e se recombinam com grande quantidade de elétrons nesta região (Ipn). O mesmo vale para os elétrons que cruzam a junção (Inp).

Pergunta: mas a corrente I não deve ser constante em todos os pontos x ???

A fonte externa injeta elétrons neste terminal.A fonte externa injeta

lacunas neste terminal.

Corrente total (DC): soma de Inn com Ipn.

Corrente total (DC): soma de Ipp com Ipn.

Corrente de difusão de elétrons.Corrente de

difusão de lacunas.

V0

VD

x0

A redução do potencial de barreirapermite que mais lacunas cruzem a barreira do material P para o material N,...

e, mais elétrons do lado N cruzem para o lado P.

a corrente I aumenta!! (em relação à polarização reversa)

Sedra:

Sedra:

Sedra:

Junção pn: ponto de vista de nível Fermi

Nível de energia de Fermi-Dirac

Enrico Fermi (09/1901 a 11/1954) Paul Adrien Maurice Dirac (08/1902 a 10/1984)

Metal

Energia EB

Metal0 x0

E<EF E>EF

E > EF

E < EF

O fundo está mais ocupado que a tampa.

maior

<

E > EF

E < EF

E > EF

E < EF

probabilidade

Todos os elétrons estão na banda de valência (não livres).

Não existem elétrons livres nem lacunas móveis.

A probabilidade de lacunas é grande nesta região; mas não podem existir na banda decondução.

Rabicho: probabilidade não-nula de elétrons livres nesta região.

Rabicho: probabilidadenão-nula de lacunas nesta região.

A probabilidade de elétrons nesta região é grande; mas eles não estão livres.

Somente elétrons foram desenhados.

probabilidade

Rabicho: probabilidade de existir elétrons.

Em relação ao silício intrínseco é mais difícil de gerar minoritários.

Lembrar que aumenta o número de recombinação.

Rabicho

Rabicho: probabilidade de existir lacunas.

>baixíssima

Os níveis de Fermi tendem a ficar num mesmo patamar, em ambos os lados da junção.

São geradas barreiras de potencial tanto para elétrons quanto lacunas.

deriva

difusão deriva

difusãoAnalogia: bolas de boliche tentando subir uma rampa.

Analogia: balões de gás tentando descer do teto.

elétron

lacuna

Junção PN aberta Junção PN polarizada diretamente.

Redução da barreira de potencial.

pois existe uma fonte externa de energia

Junção PN aberta. Junção PN polarizada reversamente.

Aumenta a barreira de potencial.

(a) (b)

(c) (d)

Resumo:

continua...

(e)

(f)

continua...

Open junction

Reversed bias

Reversed bias:

Open circuit:

continua...

Foward bias

Foward bias:

Open circuit:

continua...

Foward bias:

Movimento de elétrons na banda de condução

Movimento de lacunas na banda de valência

I = Ipp + Inp = Inn + Ipn

Foward bias:

I = Ipp + Inp = Inn + Ipn

Movimento de elétrons na banda de condução

Movimento de lacunas na banda de valência

continua...

continua...

Junção PN polarizada reversamente. Junção PN ainda mais reversamente polarizada.

Geração de par elétron-lacuna por colisão com a rede.

Tipo P

Tipo N

Tipo P

Tipo N

Junção pn com contatos metálicos

Junção Metal-N: mesmo nível Fermi em ambos os lados da Junção.

Material N: os elétrons são majoritários.Não há barreira metálica para MAJORITÁRIOS da região N, ou seja, para elétrons

Junção Metal-N: mesmo nível Fermi em ambos os lados da Junção.

Material N: os elétrons são majoritários.Não há barreira metálica para MAJORITÁRIOS da região N, ou seja, para elétrons

Junção Metal-N: mesmo nível Fermi em ambos os lados da Junção.

Material N: os elétrons são majoritários.Não há barreira metálica para MAJORITÁRIOS da região N, ou seja, para elétrons

girar

banda valência

banda condução

+ +++ + +++ ++

EF EF

EF EF

Tipo P

++ + +

EF EF

EF EF

Tipo N

Metal Metal

Junção Junção

Junções Metal-P e Metal-N

+

banda valência

banda valência

banda condução

banda condução

Junção PN em aberto

Não há barreira metálica para MAJORITÁRIOS da região N (elétrons)

Não há barreira metálica para MAJORITÁRIOS da região P, ou seja, para lacunas.

EF +++++ +++++

+

+

+ ++

‐

‐‐‐

‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐

Junção PN em aberto

Não há barreira metálica para MAJORITÁRIOS da região N (elétrons)

Não há barreira metálica para MAJORITÁRIOS da região P, ou seja, para lacunas.

EF +++++ +++++

+

+

+ ++

‐

‐‐‐

‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐

metalregião P

região Nmetal

Junção PN reversa: aumenta a largura da camada de depleção

Junção PN direta: diminui a largura camada de depleção

Aumenta a barreira de potencial.

Reduz a barreira de potencial.

Estes elétrons da região N podem caminhar para o lado direito, atravessar a fonte e chegar à região P. Porém, uma vez lá, não conseguem subir a barreira de potencial.Existe apenas uma corrente de minoritários.

Tipos Especiais de Diodos

Sedra:

Cargas fixas opostas (camada de depleção): capacitor de junção

Região P Região N

Tensão reversa

- O Varactor ou Varicap:

Distribuição de carga

Derivada capacitância

C+

v

vC

linear range

E=

LED: opera com polarização direta

Energia irradiada pelo fóton: E=hf=hv

h=constante de Planck=6,6256x10-34 Js

f ou v (letra grega ‘nu’) = frequência óptica.

Dopagem N+

Elétrons menos energéticos recombinando-se na região

de depleção: produzirão fónons

Elétrons mais energéticos: a recombinação produz fótons.A diferença de energia é tal que v (Hz) está na faixa óptica.

Fotodiodo linear opera no terceiro quadrante.

Fotocélulas operam no quarto quadrante.

Fotodiodo opera como diodo comum no primeiro quadrante.

Junção PN polarizada reversamente

Fóton incidente

conduction band(empty)

forbiddenenergy band

(gap)

valence band(full)

Fermienergy

PN photodiode:

depleted region

Transistor Bipolar de Junção(TBJ)

Sedra:

Sedra:

Sedra:

O emissor N é fortemente dopado.Emite elétrons.Largura intermediária.

A base P tem dopagem intermediária.Largura estreita.

O coletor N é fracamente dopado.Coleta elétrons.Largura muito ampla.

Transistor em aberto:

Formação de campo E2Formação de campo E1

Transistor na região ativa:

Corrente de coletor

Corrente de emissor

Campo E1 decresce e permite que elétrons cruzem a junção NP

Campo E2 cresce e acelera os elétrons que chegam a esta camada de depleção, conduzindo-os ao coletor

Entrada de lacunas pararepor a recombinação.

ReversoReverso

Junção reversaJunção reversa

ReversoDireto

Corrente de coletor: elétrons + lacunas

Corrente de emissor: elétrons + lacunas

Corrente de base

Junção reversa

Junção direta

Dissipadores de calor:

Circuitos IntegradosSilício semicondutor:

DQ

R

Transistor de Efeito de Campo (MOSFET):tipo intensificação, enriquecimento

ou enhancement

E-MOSFET com canal N (ou NMOS)

Sedra:

Sedra:

(Enhancement)

O potencial cresce no sentido contrário ao campo elétrico

Ação do campo Ebg: remove lacunas abaixo do gate.

O campo Ebg cria uma região de depleção entre as 2 ilhas N.

Ação dos campos Esg e Edg: formação do canal.

Sedra:

o = permissividade do óxido

to = espessura da camada de óxido

Capacitância por unidade de área:

No MOSFET canal N só existe condução de elétrons.

Sedra:

O transistor se comportacomo uma simples resistência ôhmica.

A tensão somada à Vt é chamada de tensão em excesso, e causa o aprofundamento do canal.

Aumenta Vt aumenta a profundidade do canal

vGS de limiar (threshold): formação do canal.Corrente muito pequena, nominalmente nula.

Campos elétricos entre o gate e as 2 ilhas N.

Superposição com o campo gerado entre os terminais S e D.

Campos se somam Campos se subtraem

O valor onde ocorre o estrangulamento do canal é chamado de vDS de saturação.

Sedra:

Junção PN direta

Junção PN reversa

Transistor de Efeito de Campo (MOSFET):Tipo depleção ou D-MOSFET

isto acontece quando vGS torna-se igual a Vt, negativo.

The current‐voltage characteristics of a depletion‐type n‐channel MOSFET for which Vt = –4 V and kn(W/L) = 2 mA/V2: the iD–vGS characteristic in saturation.

Depletion-type n-channel MOSFET

Transistor de Efeito de Campo de Junção: JFET

+

+

(Vp=pinch-off voltage=tensão de estrangulamento)

No livro do Malvino Vt é chamado de Vp.

Cuidado: vGS é negativo, Vt=Vp é negativo

Definição: IDSS= iD quando vGS=0 naregião de saturação

Esta é maior corrente que pode fluir no JFET.

21

2DSS n t

WI K V

L

Para VGS=0, a medida que VDS aumenta, de 0V para uns poucos volts, a corrente aumenta de acordo com a lei de Ohm. Neste caso, o JFET se comporta como uma pequena resistênciaconstante.

Quando VDS aumenta e se aproxima de um certo nível Vp, as regiões de depleção se alargam, causando sensível redução da largura do canal. Isto causa considerável aumento da resistên-cia do dispositivo; quanto mais horizontal a curva característica, maior a resistência, aproxi-mando-se de infinito.

Aumentando-se VDS ainda mais, atinge-se um nível no qual as duas regiões de depleção parecem se tocar, e, tal tensão é chamada de tensão de "pinch-off", Vp.

Apesar de que esta situação sugere que a corrente ID seja interrompida e caia a 0 ampéres,na realidade, ela simplesmente cessa de aumentar, e se mantém num nível de saturação denominado IDSS.

O fato é que um pequeno canal ainda existe, com uma densidade de corrente (A/m2) muito grande. No caso contrário, a ausência da corrente de dreno removeria a possibilidade dos diferentes níveis de potencial através do material do canal-n estabelecer os níveis variáveis de polarização reversa ao longo da junção pn. O resultado seria a perda da distribuição da região de depleção que causou o pinch-off na porção superior do canal.

A medida que VDS aumenta além de Vp, aumenta o comprimento da região onde as duas regiões de depleção que se tocam, mas ID permanece essencialmente a mesma, igual a IDSS.

Quando a tensão de controle VGS fica negativa, tem-se um efeito de formação das regiões de depleção similar ao caso onde VGS =0V, porém, com o "pinch-off" ocorrendo em menores valores de VDS.

Portanto, o resultado de se aplicar uma polarização negativa na porta é atingir o nível de saturação num menor valor de VDS.

Note-se que a tensão de pinch-off decai segundo uma curva parabólica, a medida que VGStorna-se cada vez mais negativa.

Quando VGS torna-se suficientemente negativa, com VGS =-Vp, o nível de saturação ocorre no nível 0 mA, e, para todos os efeitos práticos, o dispositivo torna-se desligado.

+

_

_

+

The End