Microeletrônica

Prof. Fernando Massa Fernandes

(Prof. Germano Maioli Penello)

Sala 5017 Efermassa@lee.uerj.br

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-2.html

DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/iv/index.html

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DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo

ID – corrente no diodoIS – Corrente de saturaçãoVd – Tensão no diodoVT – Tensão térmica (~25mV @ 300K)n – coeficiente de emissão (relacionado com o perfil de dopagem)

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Metal – semicondutor - isolante

http://php.scripts.psu.edu/users/i/r/irh1/SWF/Semiconductors.swf

Estrutura da bandas

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Semicondutor

Pontos importantes:

Aumentar o número de buracos ou elétrons aumenta a condutividade do material

Mobilidade (facilidade de se mover no cristal) do elétron é maior do que a do buraco

PONTO IMPORTANTE!

As mobilidades do buraco e do elétron são diferentes, isto afeta o tamanho dos MOSFETs. NMOS são menores que PMOS para que eles tenham a mesma capacidade de corrente, Ids.

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Tempo de vida do portador

Quando a temperatura aumenta, o semicondutor absorve calor. Elétrons na banda de valência ganham energia para serem ecitados pra banda de condução.

Note a importância de Eg no semicondutor!

Esta excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução é chamada de geração.

Quando o elétron volta da banda de condução para a banda de valência, isto é chamado de recombinação.

O tempo que o elétron passa na banda de condução antes de recombinar (voltar para a banda de valência) é aleatório. Ele é caracterizado pelo tempo de vida do portador tT. (valor rms do tempo que o elétron passa na banda de condução)

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Concentração de portadoresÀ temperatura ambiente (~300K) em um Si intrínseco,

n – elétrons livresp – buracos

Pode parecer um número grande, mas é baixo se comparado ao número de átoms de Si no cristal (NSi = 50 x 1021 cm-3)

Só existe um par elétron/buraco a cada ~1012 átomos de Si

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Dopagem

A dopagem aumenta a condutividade porque agora há mais portadores disponíveis para realziar a condução. No semicondutor tipo-n esse excesso é de elétrons. No semicondutor tipo-p esse excessor é de buracos.

É de se imaginar que, se o número de elétrons aumenta com a dopagem, o número de buracos no mesmo material diminua. Por que?

Essa relação entre elétrons, buracos e número de portadores intrínsecos é governada pela Lei de ação das massa

A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor.Dopante tipo p? – B (coluna III da tabela periódica)Dopante tipo n? – P (coluna V da tabela periódica)

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Exemplo

Pouquíssimos buracos! Note que com ND = 1018, a aproximação de que

começa a não ser muito boa. Quando ND ~ NSi, o material é chamado de degenerado. Materiais degenerados não seguem mais a lei de ação das massas.

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Junção pn - Energia de FermiApplets

http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/levelAndDOS/

http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/bandAndLevel/fermi.html

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pin/pin2/index.html#

Vários aplicativos em:http://jas.eng.buffalo.edu/index.html

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Junção pn (diodo)

Para que exista o fluxo de corrente em um diodo, devemos aplicar uma tensão que se aproxima de Vbi.

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/biasedPN/index.html

Aplicativo:

Qual é o lado p e qual é o lado n da junção?

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Energia de Fermi

A diferença de energia entre Ei e Ef é dada por

Percebemos com estas equações que a dopagem controla o nível de Fermi!

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Energia de Fermi (Junção pn)

Ao criar uma junção pn, como fica a estrutura de banda da junção?

Junção pn

(Reveja eq. do slide 43)

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Camada de depleção

Elétrons livres do lado n e buracos livres do lado p se recombinam na junção. Essa região livre de elétrons livres e buracos livres é chamada de região de depleção.

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Camada de depleção

A região de depleção tem cargas fixas positivas no lado n e negativas no lado p.A movimentação de elétrons e buracos só para quando o campo elétrico gerado pelas cargas fixas contrabalanceia o fluxo de portadores.

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Capacitância parasítica

Uma região de cargas fixas positivas e cargas fixas negativas pode ser analisada como placas de um capacitor! Essa capacitância parasítica é chamada de capacitância de depleção ou de junção.

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Capacitância parasíticaA capacitância de depleção pode ser modelado pela equação

Cj0 – capacitância sem tensão aplicada na junçãoVD – Tensão no diodom – coeficiende de gradação (grading coefficient)Vbi – potencial intrínseco

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Exemplo

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Exemplo

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Exemplo

Calcular o potencial intrínseco Vbi

Calcular a capacitância do fundo (como?)Calcular a capacitância da lateral Calcular a capacitância total

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Exemplo

Calcular o potencial intrínseco Vbi

Calcular a capacitância do fundoCalcular a capacitância da lateral Calcular a capacitância total

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Exemplo

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Exemplo

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Exemplo

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ProfundidadePerímetro lateral

Exemplo

Capacitâncias em série ou em paralelo?

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Exemplo

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Exemplo

27

Exemplo

Aqui apresentamos o resultado da capacitância apenas na polarização reversa (VD negativo).

Quando o diodo é polarizado diretamente, os portadores minoritários formam uma capacitância de difusão muito maior que a de depleção! Veremos isso na próxima aula… 28

Electric VLSI Design System

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Electric VLSI Design System

Software open-source para design de circuitos, leiautes e mais…

http://www.staticfreesoft.com/electric.html

Computer aided design – uso de computador para auxiliar a criação, modificação análise e optimização de um projeto

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Electric VLSI Design System

Software open-source para design de circuitos, leiautes e mais…

http://www.staticfreesoft.com/electric.html

Computer aided design – uso de computador para auxiliar a criação, modificação análise e optimização de um projeto

Pode ser usado em conjunto com o LTSpice

http://www.linear.com/designtools/software/

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