Upload
dinhxuyen
View
212
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
SemicondutoresCF086 - Introduccedilatildeo a Fiacutesica do Estado Soacutelido 1
Introduccedilatildeo
Vimos que um dado soacutelido pode apresentar bandas de energia que podem estar totalmente vazias totalmente preenchidas ou parcialmente preenchidas
2
Introduccedilatildeo
Isolante em 119879 = 0 bandas vazias ou totalmente preenchidas A uacuteltima banda preenchida num isolante estaacute separada da banda vazia imediatamente superior por um gap
Num isolante o gap eacute alto (simgt 3 eV) e a resistividade eleacutetrica tambeacutem (120602 sim 1020 Ω sdot m)
3
Introduccedilatildeo
Para gaps da ordem de alguns deacutecimos de eV ateacute sim 3 eV temos semicondutores As resistividades satildeo menores (120602 sim 10minus5 minus 107 Ω sdotm) (para metais 120602 sim 10minus8Ω sdot m)
4
Introduccedilatildeo
Por causa do gap menor quando 119879 ne 0 haacute uma probabilidade de ocupaccedilatildeo dos estados maior de modo que os eleacutetrons que ldquoatravessamrdquo o gap eacute um pouco maior rArr material conduz para 119879 ne 0
5
Introduccedilatildeo
Outra grandeza importante eacute a densidade de portadores
Vamos comparar os comportamentos para isolantes e condutores
6
Introduccedilatildeo
Densidade de estados para eleacutetrons livres (3D)
119967(120598) fornece o nuacutemero de estados mas natildeo diz se ele estaacute ocupado
Distribuiccedilatildeo de Fermi-Dirac
7
119967 120598 =2119898
ℏ2
32 119881
4120587212059812
119891 120598 =1
119890120573 120598minus120583 + 1119891 120598 119879 = 0 = ቊ
1 120598 lt 1205830 120598 gt 120583
Introduccedilatildeo
Nuacutemero meacutedio de eleacutetrons 119967 120598 119891(120598)
8
Em metais 119879 = 0 banda
semipreenchida
Os niacuteveis satildeo preenchidos ateacute uma
energia maacutexima energia de Fermi
119864119865
Introduccedilatildeo
9
Quando 119879 ne 0 119967(120598) eacute o mesmo mas
119891(120598) muda em torno de 119864119865 = 120583(119879 =0) na faixa plusmn2119896119861119879 em torno de 119864119865
Os eleacutetrons excitados termicamente
datildeo origem agrave corrente eleacutetrica
Para metais ocorre excitaccedilatildeo em
qualquer 119879 Estimativa do nuacutemero
relativo de eleacutetrons Δ119873119879119873 sim 1(119879 = 300 K quadro)
Semicondutores
A ideia eacute similar para semicondutores e isolantes As bandas satildeo separadas por um gap
Uacuteltima banda preenchida banda de valecircncia (BV)
Banda vazia superior agrave BV banda de conduccedilatildeo (BC)
Diferenccedila entre o topo da BV e a base da BC gap 119864119892
10
Semicondutores
Potencial quiacutemico 120583(119879) ou niacutevel de Fermi proacuteximo ao meio do gap varia pouco com 119879 (veremos depois)
11
120583(119879) regula o fluxo de
partiacuteculas (Termodinacircmica)
119967 120598 = 0 no gap Natildeo eacute dada
apenas por 119967 120598 prop 1205981
2
Semicondutores
12
Para 119879 = 0 119891 120598 = 0 se 120598 gt 120583(0)
Logo 119891 120598 = 0 para 120598 gt 119864119892
Natildeo haacute eleacutetrons de conduccedilatildeo
Para 119879 gt 0 119891(120598) permite alguns
eleacutetrons na BC
Estimativa (119879 = 300 K quadro)
Δ119873119873 sim 10minus52 119864119892 = 6 eV Δ119873119873 sim
10minus9 119864119892 = 1 eV
Semicondutores
Note que quando 119879 cresce o nuacutemero de eleacutetrons excitados termicamente cresce e a condutividade aumenta
Esse comportamento eacute oposto ao exibido por metais onde 120602 cresce com 119879 (e a condutividade decresce) Em metais
e 120591119890119897 diminui com 119879 pois haacute mais colisotildees
Semicondutores tecircm coeficientes de temperatura para a resistividade negativos rArr propriedade que os fez se destacarem no seacutec XIX
13
120590met =1198902
119898
119873
119881120591119890119897
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Introduccedilatildeo
Vimos que um dado soacutelido pode apresentar bandas de energia que podem estar totalmente vazias totalmente preenchidas ou parcialmente preenchidas
2
Introduccedilatildeo
Isolante em 119879 = 0 bandas vazias ou totalmente preenchidas A uacuteltima banda preenchida num isolante estaacute separada da banda vazia imediatamente superior por um gap
Num isolante o gap eacute alto (simgt 3 eV) e a resistividade eleacutetrica tambeacutem (120602 sim 1020 Ω sdot m)
3
Introduccedilatildeo
Para gaps da ordem de alguns deacutecimos de eV ateacute sim 3 eV temos semicondutores As resistividades satildeo menores (120602 sim 10minus5 minus 107 Ω sdotm) (para metais 120602 sim 10minus8Ω sdot m)
4
Introduccedilatildeo
Por causa do gap menor quando 119879 ne 0 haacute uma probabilidade de ocupaccedilatildeo dos estados maior de modo que os eleacutetrons que ldquoatravessamrdquo o gap eacute um pouco maior rArr material conduz para 119879 ne 0
5
Introduccedilatildeo
Outra grandeza importante eacute a densidade de portadores
Vamos comparar os comportamentos para isolantes e condutores
6
Introduccedilatildeo
Densidade de estados para eleacutetrons livres (3D)
119967(120598) fornece o nuacutemero de estados mas natildeo diz se ele estaacute ocupado
Distribuiccedilatildeo de Fermi-Dirac
7
119967 120598 =2119898
ℏ2
32 119881
4120587212059812
119891 120598 =1
119890120573 120598minus120583 + 1119891 120598 119879 = 0 = ቊ
1 120598 lt 1205830 120598 gt 120583
Introduccedilatildeo
Nuacutemero meacutedio de eleacutetrons 119967 120598 119891(120598)
8
Em metais 119879 = 0 banda
semipreenchida
Os niacuteveis satildeo preenchidos ateacute uma
energia maacutexima energia de Fermi
119864119865
Introduccedilatildeo
9
Quando 119879 ne 0 119967(120598) eacute o mesmo mas
119891(120598) muda em torno de 119864119865 = 120583(119879 =0) na faixa plusmn2119896119861119879 em torno de 119864119865
Os eleacutetrons excitados termicamente
datildeo origem agrave corrente eleacutetrica
Para metais ocorre excitaccedilatildeo em
qualquer 119879 Estimativa do nuacutemero
relativo de eleacutetrons Δ119873119879119873 sim 1(119879 = 300 K quadro)
Semicondutores
A ideia eacute similar para semicondutores e isolantes As bandas satildeo separadas por um gap
Uacuteltima banda preenchida banda de valecircncia (BV)
Banda vazia superior agrave BV banda de conduccedilatildeo (BC)
Diferenccedila entre o topo da BV e a base da BC gap 119864119892
10
Semicondutores
Potencial quiacutemico 120583(119879) ou niacutevel de Fermi proacuteximo ao meio do gap varia pouco com 119879 (veremos depois)
11
120583(119879) regula o fluxo de
partiacuteculas (Termodinacircmica)
119967 120598 = 0 no gap Natildeo eacute dada
apenas por 119967 120598 prop 1205981
2
Semicondutores
12
Para 119879 = 0 119891 120598 = 0 se 120598 gt 120583(0)
Logo 119891 120598 = 0 para 120598 gt 119864119892
Natildeo haacute eleacutetrons de conduccedilatildeo
Para 119879 gt 0 119891(120598) permite alguns
eleacutetrons na BC
Estimativa (119879 = 300 K quadro)
Δ119873119873 sim 10minus52 119864119892 = 6 eV Δ119873119873 sim
10minus9 119864119892 = 1 eV
Semicondutores
Note que quando 119879 cresce o nuacutemero de eleacutetrons excitados termicamente cresce e a condutividade aumenta
Esse comportamento eacute oposto ao exibido por metais onde 120602 cresce com 119879 (e a condutividade decresce) Em metais
e 120591119890119897 diminui com 119879 pois haacute mais colisotildees
Semicondutores tecircm coeficientes de temperatura para a resistividade negativos rArr propriedade que os fez se destacarem no seacutec XIX
13
120590met =1198902
119898
119873
119881120591119890119897
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Introduccedilatildeo
Isolante em 119879 = 0 bandas vazias ou totalmente preenchidas A uacuteltima banda preenchida num isolante estaacute separada da banda vazia imediatamente superior por um gap
Num isolante o gap eacute alto (simgt 3 eV) e a resistividade eleacutetrica tambeacutem (120602 sim 1020 Ω sdot m)
3
Introduccedilatildeo
Para gaps da ordem de alguns deacutecimos de eV ateacute sim 3 eV temos semicondutores As resistividades satildeo menores (120602 sim 10minus5 minus 107 Ω sdotm) (para metais 120602 sim 10minus8Ω sdot m)
4
Introduccedilatildeo
Por causa do gap menor quando 119879 ne 0 haacute uma probabilidade de ocupaccedilatildeo dos estados maior de modo que os eleacutetrons que ldquoatravessamrdquo o gap eacute um pouco maior rArr material conduz para 119879 ne 0
5
Introduccedilatildeo
Outra grandeza importante eacute a densidade de portadores
Vamos comparar os comportamentos para isolantes e condutores
6
Introduccedilatildeo
Densidade de estados para eleacutetrons livres (3D)
119967(120598) fornece o nuacutemero de estados mas natildeo diz se ele estaacute ocupado
Distribuiccedilatildeo de Fermi-Dirac
7
119967 120598 =2119898
ℏ2
32 119881
4120587212059812
119891 120598 =1
119890120573 120598minus120583 + 1119891 120598 119879 = 0 = ቊ
1 120598 lt 1205830 120598 gt 120583
Introduccedilatildeo
Nuacutemero meacutedio de eleacutetrons 119967 120598 119891(120598)
8
Em metais 119879 = 0 banda
semipreenchida
Os niacuteveis satildeo preenchidos ateacute uma
energia maacutexima energia de Fermi
119864119865
Introduccedilatildeo
9
Quando 119879 ne 0 119967(120598) eacute o mesmo mas
119891(120598) muda em torno de 119864119865 = 120583(119879 =0) na faixa plusmn2119896119861119879 em torno de 119864119865
Os eleacutetrons excitados termicamente
datildeo origem agrave corrente eleacutetrica
Para metais ocorre excitaccedilatildeo em
qualquer 119879 Estimativa do nuacutemero
relativo de eleacutetrons Δ119873119879119873 sim 1(119879 = 300 K quadro)
Semicondutores
A ideia eacute similar para semicondutores e isolantes As bandas satildeo separadas por um gap
Uacuteltima banda preenchida banda de valecircncia (BV)
Banda vazia superior agrave BV banda de conduccedilatildeo (BC)
Diferenccedila entre o topo da BV e a base da BC gap 119864119892
10
Semicondutores
Potencial quiacutemico 120583(119879) ou niacutevel de Fermi proacuteximo ao meio do gap varia pouco com 119879 (veremos depois)
11
120583(119879) regula o fluxo de
partiacuteculas (Termodinacircmica)
119967 120598 = 0 no gap Natildeo eacute dada
apenas por 119967 120598 prop 1205981
2
Semicondutores
12
Para 119879 = 0 119891 120598 = 0 se 120598 gt 120583(0)
Logo 119891 120598 = 0 para 120598 gt 119864119892
Natildeo haacute eleacutetrons de conduccedilatildeo
Para 119879 gt 0 119891(120598) permite alguns
eleacutetrons na BC
Estimativa (119879 = 300 K quadro)
Δ119873119873 sim 10minus52 119864119892 = 6 eV Δ119873119873 sim
10minus9 119864119892 = 1 eV
Semicondutores
Note que quando 119879 cresce o nuacutemero de eleacutetrons excitados termicamente cresce e a condutividade aumenta
Esse comportamento eacute oposto ao exibido por metais onde 120602 cresce com 119879 (e a condutividade decresce) Em metais
e 120591119890119897 diminui com 119879 pois haacute mais colisotildees
Semicondutores tecircm coeficientes de temperatura para a resistividade negativos rArr propriedade que os fez se destacarem no seacutec XIX
13
120590met =1198902
119898
119873
119881120591119890119897
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Introduccedilatildeo
Para gaps da ordem de alguns deacutecimos de eV ateacute sim 3 eV temos semicondutores As resistividades satildeo menores (120602 sim 10minus5 minus 107 Ω sdotm) (para metais 120602 sim 10minus8Ω sdot m)
4
Introduccedilatildeo
Por causa do gap menor quando 119879 ne 0 haacute uma probabilidade de ocupaccedilatildeo dos estados maior de modo que os eleacutetrons que ldquoatravessamrdquo o gap eacute um pouco maior rArr material conduz para 119879 ne 0
5
Introduccedilatildeo
Outra grandeza importante eacute a densidade de portadores
Vamos comparar os comportamentos para isolantes e condutores
6
Introduccedilatildeo
Densidade de estados para eleacutetrons livres (3D)
119967(120598) fornece o nuacutemero de estados mas natildeo diz se ele estaacute ocupado
Distribuiccedilatildeo de Fermi-Dirac
7
119967 120598 =2119898
ℏ2
32 119881
4120587212059812
119891 120598 =1
119890120573 120598minus120583 + 1119891 120598 119879 = 0 = ቊ
1 120598 lt 1205830 120598 gt 120583
Introduccedilatildeo
Nuacutemero meacutedio de eleacutetrons 119967 120598 119891(120598)
8
Em metais 119879 = 0 banda
semipreenchida
Os niacuteveis satildeo preenchidos ateacute uma
energia maacutexima energia de Fermi
119864119865
Introduccedilatildeo
9
Quando 119879 ne 0 119967(120598) eacute o mesmo mas
119891(120598) muda em torno de 119864119865 = 120583(119879 =0) na faixa plusmn2119896119861119879 em torno de 119864119865
Os eleacutetrons excitados termicamente
datildeo origem agrave corrente eleacutetrica
Para metais ocorre excitaccedilatildeo em
qualquer 119879 Estimativa do nuacutemero
relativo de eleacutetrons Δ119873119879119873 sim 1(119879 = 300 K quadro)
Semicondutores
A ideia eacute similar para semicondutores e isolantes As bandas satildeo separadas por um gap
Uacuteltima banda preenchida banda de valecircncia (BV)
Banda vazia superior agrave BV banda de conduccedilatildeo (BC)
Diferenccedila entre o topo da BV e a base da BC gap 119864119892
10
Semicondutores
Potencial quiacutemico 120583(119879) ou niacutevel de Fermi proacuteximo ao meio do gap varia pouco com 119879 (veremos depois)
11
120583(119879) regula o fluxo de
partiacuteculas (Termodinacircmica)
119967 120598 = 0 no gap Natildeo eacute dada
apenas por 119967 120598 prop 1205981
2
Semicondutores
12
Para 119879 = 0 119891 120598 = 0 se 120598 gt 120583(0)
Logo 119891 120598 = 0 para 120598 gt 119864119892
Natildeo haacute eleacutetrons de conduccedilatildeo
Para 119879 gt 0 119891(120598) permite alguns
eleacutetrons na BC
Estimativa (119879 = 300 K quadro)
Δ119873119873 sim 10minus52 119864119892 = 6 eV Δ119873119873 sim
10minus9 119864119892 = 1 eV
Semicondutores
Note que quando 119879 cresce o nuacutemero de eleacutetrons excitados termicamente cresce e a condutividade aumenta
Esse comportamento eacute oposto ao exibido por metais onde 120602 cresce com 119879 (e a condutividade decresce) Em metais
e 120591119890119897 diminui com 119879 pois haacute mais colisotildees
Semicondutores tecircm coeficientes de temperatura para a resistividade negativos rArr propriedade que os fez se destacarem no seacutec XIX
13
120590met =1198902
119898
119873
119881120591119890119897
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Introduccedilatildeo
Por causa do gap menor quando 119879 ne 0 haacute uma probabilidade de ocupaccedilatildeo dos estados maior de modo que os eleacutetrons que ldquoatravessamrdquo o gap eacute um pouco maior rArr material conduz para 119879 ne 0
5
Introduccedilatildeo
Outra grandeza importante eacute a densidade de portadores
Vamos comparar os comportamentos para isolantes e condutores
6
Introduccedilatildeo
Densidade de estados para eleacutetrons livres (3D)
119967(120598) fornece o nuacutemero de estados mas natildeo diz se ele estaacute ocupado
Distribuiccedilatildeo de Fermi-Dirac
7
119967 120598 =2119898
ℏ2
32 119881
4120587212059812
119891 120598 =1
119890120573 120598minus120583 + 1119891 120598 119879 = 0 = ቊ
1 120598 lt 1205830 120598 gt 120583
Introduccedilatildeo
Nuacutemero meacutedio de eleacutetrons 119967 120598 119891(120598)
8
Em metais 119879 = 0 banda
semipreenchida
Os niacuteveis satildeo preenchidos ateacute uma
energia maacutexima energia de Fermi
119864119865
Introduccedilatildeo
9
Quando 119879 ne 0 119967(120598) eacute o mesmo mas
119891(120598) muda em torno de 119864119865 = 120583(119879 =0) na faixa plusmn2119896119861119879 em torno de 119864119865
Os eleacutetrons excitados termicamente
datildeo origem agrave corrente eleacutetrica
Para metais ocorre excitaccedilatildeo em
qualquer 119879 Estimativa do nuacutemero
relativo de eleacutetrons Δ119873119879119873 sim 1(119879 = 300 K quadro)
Semicondutores
A ideia eacute similar para semicondutores e isolantes As bandas satildeo separadas por um gap
Uacuteltima banda preenchida banda de valecircncia (BV)
Banda vazia superior agrave BV banda de conduccedilatildeo (BC)
Diferenccedila entre o topo da BV e a base da BC gap 119864119892
10
Semicondutores
Potencial quiacutemico 120583(119879) ou niacutevel de Fermi proacuteximo ao meio do gap varia pouco com 119879 (veremos depois)
11
120583(119879) regula o fluxo de
partiacuteculas (Termodinacircmica)
119967 120598 = 0 no gap Natildeo eacute dada
apenas por 119967 120598 prop 1205981
2
Semicondutores
12
Para 119879 = 0 119891 120598 = 0 se 120598 gt 120583(0)
Logo 119891 120598 = 0 para 120598 gt 119864119892
Natildeo haacute eleacutetrons de conduccedilatildeo
Para 119879 gt 0 119891(120598) permite alguns
eleacutetrons na BC
Estimativa (119879 = 300 K quadro)
Δ119873119873 sim 10minus52 119864119892 = 6 eV Δ119873119873 sim
10minus9 119864119892 = 1 eV
Semicondutores
Note que quando 119879 cresce o nuacutemero de eleacutetrons excitados termicamente cresce e a condutividade aumenta
Esse comportamento eacute oposto ao exibido por metais onde 120602 cresce com 119879 (e a condutividade decresce) Em metais
e 120591119890119897 diminui com 119879 pois haacute mais colisotildees
Semicondutores tecircm coeficientes de temperatura para a resistividade negativos rArr propriedade que os fez se destacarem no seacutec XIX
13
120590met =1198902
119898
119873
119881120591119890119897
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Introduccedilatildeo
Outra grandeza importante eacute a densidade de portadores
Vamos comparar os comportamentos para isolantes e condutores
6
Introduccedilatildeo
Densidade de estados para eleacutetrons livres (3D)
119967(120598) fornece o nuacutemero de estados mas natildeo diz se ele estaacute ocupado
Distribuiccedilatildeo de Fermi-Dirac
7
119967 120598 =2119898
ℏ2
32 119881
4120587212059812
119891 120598 =1
119890120573 120598minus120583 + 1119891 120598 119879 = 0 = ቊ
1 120598 lt 1205830 120598 gt 120583
Introduccedilatildeo
Nuacutemero meacutedio de eleacutetrons 119967 120598 119891(120598)
8
Em metais 119879 = 0 banda
semipreenchida
Os niacuteveis satildeo preenchidos ateacute uma
energia maacutexima energia de Fermi
119864119865
Introduccedilatildeo
9
Quando 119879 ne 0 119967(120598) eacute o mesmo mas
119891(120598) muda em torno de 119864119865 = 120583(119879 =0) na faixa plusmn2119896119861119879 em torno de 119864119865
Os eleacutetrons excitados termicamente
datildeo origem agrave corrente eleacutetrica
Para metais ocorre excitaccedilatildeo em
qualquer 119879 Estimativa do nuacutemero
relativo de eleacutetrons Δ119873119879119873 sim 1(119879 = 300 K quadro)
Semicondutores
A ideia eacute similar para semicondutores e isolantes As bandas satildeo separadas por um gap
Uacuteltima banda preenchida banda de valecircncia (BV)
Banda vazia superior agrave BV banda de conduccedilatildeo (BC)
Diferenccedila entre o topo da BV e a base da BC gap 119864119892
10
Semicondutores
Potencial quiacutemico 120583(119879) ou niacutevel de Fermi proacuteximo ao meio do gap varia pouco com 119879 (veremos depois)
11
120583(119879) regula o fluxo de
partiacuteculas (Termodinacircmica)
119967 120598 = 0 no gap Natildeo eacute dada
apenas por 119967 120598 prop 1205981
2
Semicondutores
12
Para 119879 = 0 119891 120598 = 0 se 120598 gt 120583(0)
Logo 119891 120598 = 0 para 120598 gt 119864119892
Natildeo haacute eleacutetrons de conduccedilatildeo
Para 119879 gt 0 119891(120598) permite alguns
eleacutetrons na BC
Estimativa (119879 = 300 K quadro)
Δ119873119873 sim 10minus52 119864119892 = 6 eV Δ119873119873 sim
10minus9 119864119892 = 1 eV
Semicondutores
Note que quando 119879 cresce o nuacutemero de eleacutetrons excitados termicamente cresce e a condutividade aumenta
Esse comportamento eacute oposto ao exibido por metais onde 120602 cresce com 119879 (e a condutividade decresce) Em metais
e 120591119890119897 diminui com 119879 pois haacute mais colisotildees
Semicondutores tecircm coeficientes de temperatura para a resistividade negativos rArr propriedade que os fez se destacarem no seacutec XIX
13
120590met =1198902
119898
119873
119881120591119890119897
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Introduccedilatildeo
Densidade de estados para eleacutetrons livres (3D)
119967(120598) fornece o nuacutemero de estados mas natildeo diz se ele estaacute ocupado
Distribuiccedilatildeo de Fermi-Dirac
7
119967 120598 =2119898
ℏ2
32 119881
4120587212059812
119891 120598 =1
119890120573 120598minus120583 + 1119891 120598 119879 = 0 = ቊ
1 120598 lt 1205830 120598 gt 120583
Introduccedilatildeo
Nuacutemero meacutedio de eleacutetrons 119967 120598 119891(120598)
8
Em metais 119879 = 0 banda
semipreenchida
Os niacuteveis satildeo preenchidos ateacute uma
energia maacutexima energia de Fermi
119864119865
Introduccedilatildeo
9
Quando 119879 ne 0 119967(120598) eacute o mesmo mas
119891(120598) muda em torno de 119864119865 = 120583(119879 =0) na faixa plusmn2119896119861119879 em torno de 119864119865
Os eleacutetrons excitados termicamente
datildeo origem agrave corrente eleacutetrica
Para metais ocorre excitaccedilatildeo em
qualquer 119879 Estimativa do nuacutemero
relativo de eleacutetrons Δ119873119879119873 sim 1(119879 = 300 K quadro)
Semicondutores
A ideia eacute similar para semicondutores e isolantes As bandas satildeo separadas por um gap
Uacuteltima banda preenchida banda de valecircncia (BV)
Banda vazia superior agrave BV banda de conduccedilatildeo (BC)
Diferenccedila entre o topo da BV e a base da BC gap 119864119892
10
Semicondutores
Potencial quiacutemico 120583(119879) ou niacutevel de Fermi proacuteximo ao meio do gap varia pouco com 119879 (veremos depois)
11
120583(119879) regula o fluxo de
partiacuteculas (Termodinacircmica)
119967 120598 = 0 no gap Natildeo eacute dada
apenas por 119967 120598 prop 1205981
2
Semicondutores
12
Para 119879 = 0 119891 120598 = 0 se 120598 gt 120583(0)
Logo 119891 120598 = 0 para 120598 gt 119864119892
Natildeo haacute eleacutetrons de conduccedilatildeo
Para 119879 gt 0 119891(120598) permite alguns
eleacutetrons na BC
Estimativa (119879 = 300 K quadro)
Δ119873119873 sim 10minus52 119864119892 = 6 eV Δ119873119873 sim
10minus9 119864119892 = 1 eV
Semicondutores
Note que quando 119879 cresce o nuacutemero de eleacutetrons excitados termicamente cresce e a condutividade aumenta
Esse comportamento eacute oposto ao exibido por metais onde 120602 cresce com 119879 (e a condutividade decresce) Em metais
e 120591119890119897 diminui com 119879 pois haacute mais colisotildees
Semicondutores tecircm coeficientes de temperatura para a resistividade negativos rArr propriedade que os fez se destacarem no seacutec XIX
13
120590met =1198902
119898
119873
119881120591119890119897
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Introduccedilatildeo
Nuacutemero meacutedio de eleacutetrons 119967 120598 119891(120598)
8
Em metais 119879 = 0 banda
semipreenchida
Os niacuteveis satildeo preenchidos ateacute uma
energia maacutexima energia de Fermi
119864119865
Introduccedilatildeo
9
Quando 119879 ne 0 119967(120598) eacute o mesmo mas
119891(120598) muda em torno de 119864119865 = 120583(119879 =0) na faixa plusmn2119896119861119879 em torno de 119864119865
Os eleacutetrons excitados termicamente
datildeo origem agrave corrente eleacutetrica
Para metais ocorre excitaccedilatildeo em
qualquer 119879 Estimativa do nuacutemero
relativo de eleacutetrons Δ119873119879119873 sim 1(119879 = 300 K quadro)
Semicondutores
A ideia eacute similar para semicondutores e isolantes As bandas satildeo separadas por um gap
Uacuteltima banda preenchida banda de valecircncia (BV)
Banda vazia superior agrave BV banda de conduccedilatildeo (BC)
Diferenccedila entre o topo da BV e a base da BC gap 119864119892
10
Semicondutores
Potencial quiacutemico 120583(119879) ou niacutevel de Fermi proacuteximo ao meio do gap varia pouco com 119879 (veremos depois)
11
120583(119879) regula o fluxo de
partiacuteculas (Termodinacircmica)
119967 120598 = 0 no gap Natildeo eacute dada
apenas por 119967 120598 prop 1205981
2
Semicondutores
12
Para 119879 = 0 119891 120598 = 0 se 120598 gt 120583(0)
Logo 119891 120598 = 0 para 120598 gt 119864119892
Natildeo haacute eleacutetrons de conduccedilatildeo
Para 119879 gt 0 119891(120598) permite alguns
eleacutetrons na BC
Estimativa (119879 = 300 K quadro)
Δ119873119873 sim 10minus52 119864119892 = 6 eV Δ119873119873 sim
10minus9 119864119892 = 1 eV
Semicondutores
Note que quando 119879 cresce o nuacutemero de eleacutetrons excitados termicamente cresce e a condutividade aumenta
Esse comportamento eacute oposto ao exibido por metais onde 120602 cresce com 119879 (e a condutividade decresce) Em metais
e 120591119890119897 diminui com 119879 pois haacute mais colisotildees
Semicondutores tecircm coeficientes de temperatura para a resistividade negativos rArr propriedade que os fez se destacarem no seacutec XIX
13
120590met =1198902
119898
119873
119881120591119890119897
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Introduccedilatildeo
9
Quando 119879 ne 0 119967(120598) eacute o mesmo mas
119891(120598) muda em torno de 119864119865 = 120583(119879 =0) na faixa plusmn2119896119861119879 em torno de 119864119865
Os eleacutetrons excitados termicamente
datildeo origem agrave corrente eleacutetrica
Para metais ocorre excitaccedilatildeo em
qualquer 119879 Estimativa do nuacutemero
relativo de eleacutetrons Δ119873119879119873 sim 1(119879 = 300 K quadro)
Semicondutores
A ideia eacute similar para semicondutores e isolantes As bandas satildeo separadas por um gap
Uacuteltima banda preenchida banda de valecircncia (BV)
Banda vazia superior agrave BV banda de conduccedilatildeo (BC)
Diferenccedila entre o topo da BV e a base da BC gap 119864119892
10
Semicondutores
Potencial quiacutemico 120583(119879) ou niacutevel de Fermi proacuteximo ao meio do gap varia pouco com 119879 (veremos depois)
11
120583(119879) regula o fluxo de
partiacuteculas (Termodinacircmica)
119967 120598 = 0 no gap Natildeo eacute dada
apenas por 119967 120598 prop 1205981
2
Semicondutores
12
Para 119879 = 0 119891 120598 = 0 se 120598 gt 120583(0)
Logo 119891 120598 = 0 para 120598 gt 119864119892
Natildeo haacute eleacutetrons de conduccedilatildeo
Para 119879 gt 0 119891(120598) permite alguns
eleacutetrons na BC
Estimativa (119879 = 300 K quadro)
Δ119873119873 sim 10minus52 119864119892 = 6 eV Δ119873119873 sim
10minus9 119864119892 = 1 eV
Semicondutores
Note que quando 119879 cresce o nuacutemero de eleacutetrons excitados termicamente cresce e a condutividade aumenta
Esse comportamento eacute oposto ao exibido por metais onde 120602 cresce com 119879 (e a condutividade decresce) Em metais
e 120591119890119897 diminui com 119879 pois haacute mais colisotildees
Semicondutores tecircm coeficientes de temperatura para a resistividade negativos rArr propriedade que os fez se destacarem no seacutec XIX
13
120590met =1198902
119898
119873
119881120591119890119897
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
A ideia eacute similar para semicondutores e isolantes As bandas satildeo separadas por um gap
Uacuteltima banda preenchida banda de valecircncia (BV)
Banda vazia superior agrave BV banda de conduccedilatildeo (BC)
Diferenccedila entre o topo da BV e a base da BC gap 119864119892
10
Semicondutores
Potencial quiacutemico 120583(119879) ou niacutevel de Fermi proacuteximo ao meio do gap varia pouco com 119879 (veremos depois)
11
120583(119879) regula o fluxo de
partiacuteculas (Termodinacircmica)
119967 120598 = 0 no gap Natildeo eacute dada
apenas por 119967 120598 prop 1205981
2
Semicondutores
12
Para 119879 = 0 119891 120598 = 0 se 120598 gt 120583(0)
Logo 119891 120598 = 0 para 120598 gt 119864119892
Natildeo haacute eleacutetrons de conduccedilatildeo
Para 119879 gt 0 119891(120598) permite alguns
eleacutetrons na BC
Estimativa (119879 = 300 K quadro)
Δ119873119873 sim 10minus52 119864119892 = 6 eV Δ119873119873 sim
10minus9 119864119892 = 1 eV
Semicondutores
Note que quando 119879 cresce o nuacutemero de eleacutetrons excitados termicamente cresce e a condutividade aumenta
Esse comportamento eacute oposto ao exibido por metais onde 120602 cresce com 119879 (e a condutividade decresce) Em metais
e 120591119890119897 diminui com 119879 pois haacute mais colisotildees
Semicondutores tecircm coeficientes de temperatura para a resistividade negativos rArr propriedade que os fez se destacarem no seacutec XIX
13
120590met =1198902
119898
119873
119881120591119890119897
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Potencial quiacutemico 120583(119879) ou niacutevel de Fermi proacuteximo ao meio do gap varia pouco com 119879 (veremos depois)
11
120583(119879) regula o fluxo de
partiacuteculas (Termodinacircmica)
119967 120598 = 0 no gap Natildeo eacute dada
apenas por 119967 120598 prop 1205981
2
Semicondutores
12
Para 119879 = 0 119891 120598 = 0 se 120598 gt 120583(0)
Logo 119891 120598 = 0 para 120598 gt 119864119892
Natildeo haacute eleacutetrons de conduccedilatildeo
Para 119879 gt 0 119891(120598) permite alguns
eleacutetrons na BC
Estimativa (119879 = 300 K quadro)
Δ119873119873 sim 10minus52 119864119892 = 6 eV Δ119873119873 sim
10minus9 119864119892 = 1 eV
Semicondutores
Note que quando 119879 cresce o nuacutemero de eleacutetrons excitados termicamente cresce e a condutividade aumenta
Esse comportamento eacute oposto ao exibido por metais onde 120602 cresce com 119879 (e a condutividade decresce) Em metais
e 120591119890119897 diminui com 119879 pois haacute mais colisotildees
Semicondutores tecircm coeficientes de temperatura para a resistividade negativos rArr propriedade que os fez se destacarem no seacutec XIX
13
120590met =1198902
119898
119873
119881120591119890119897
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
12
Para 119879 = 0 119891 120598 = 0 se 120598 gt 120583(0)
Logo 119891 120598 = 0 para 120598 gt 119864119892
Natildeo haacute eleacutetrons de conduccedilatildeo
Para 119879 gt 0 119891(120598) permite alguns
eleacutetrons na BC
Estimativa (119879 = 300 K quadro)
Δ119873119873 sim 10minus52 119864119892 = 6 eV Δ119873119873 sim
10minus9 119864119892 = 1 eV
Semicondutores
Note que quando 119879 cresce o nuacutemero de eleacutetrons excitados termicamente cresce e a condutividade aumenta
Esse comportamento eacute oposto ao exibido por metais onde 120602 cresce com 119879 (e a condutividade decresce) Em metais
e 120591119890119897 diminui com 119879 pois haacute mais colisotildees
Semicondutores tecircm coeficientes de temperatura para a resistividade negativos rArr propriedade que os fez se destacarem no seacutec XIX
13
120590met =1198902
119898
119873
119881120591119890119897
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Note que quando 119879 cresce o nuacutemero de eleacutetrons excitados termicamente cresce e a condutividade aumenta
Esse comportamento eacute oposto ao exibido por metais onde 120602 cresce com 119879 (e a condutividade decresce) Em metais
e 120591119890119897 diminui com 119879 pois haacute mais colisotildees
Semicondutores tecircm coeficientes de temperatura para a resistividade negativos rArr propriedade que os fez se destacarem no seacutec XIX
13
120590met =1198902
119898
119873
119881120591119890119897
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
A excitaccedilatildeo teacutermica pode fazer com que eleacutetrons passem da BV para a BC Essa eacute a origem da condutividade intriacutenseca do semicondutor
Semicondutor intriacutenseco condutividade eacute dominada por efeitos teacutermicos
14
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Ao excitar um eleacutetron da BV para a BC a BV fica com a ausecircncia de um eleacutetron
A BV estava totalmente preenchida Assim o momento total dela era nulo Natildeo haacute movimento ordenado de cargas ao aplicar um campo eleacutetrico fraco (119864campo ≪ 119896119861119879)
Com um eleacutetron a menos o momento total deixa de ser nulo e torna-se possiacutevel alterar estados eletrocircnicos na BV
15
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
A ausecircncia de um eleacutetron se comporta como uma carga positiva chamada ldquoburacordquo
O buraco tem carga oposta agrave do eleacutetron
Eleacutetrons no topo da BV tecircm massas efetivas negativas pois a BV eacute cocircncava para baixo
Ausecircncia dos eleacutetrons (buracos) tecircm massas efetivas positivas
16
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Ao aplicar um campo eleacutetrico sobre os buracos eles se comportam de maneira ldquonormalrdquo rArr movem-se no mesmo sentido que o campo
Haacute outros modos de alterar a condutividade aleacutem do teacutermico
Incidindo radiaccedilatildeo com energia da ordem do gap ou maior os eleacutetrons da BV podem ser fotoexcitados rArr fotocondutividade
Semicondutores podem ser usados como fotodetectores
17
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Haacute outro modo de alterar a condutividade rArr impurezas
Suponha que uma pequena quantidade de arsecircnio (As) seja introduzida na rede de germacircnio (Ge)
18
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Ge tetravalente As pentavalente
Ao trocar Ge rArrAs o As faz 4 ligaccedilotildees com o Ge e um eleacutetron fica ldquoflutuandordquo em torno do As
O As se comporta como um nuacutecleo com uma carga positiva +119890 envolto por um eleacutetron ldquoorbitandordquo esse nuacutecleo rArr aacutetomo de hidrogecircnio com niacuteveis discretos dentro do gap
Haacute algumas diferenccedilas
19
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
O meio blinda a forccedila eleacutetrica rArr permissividade eleacutetrica 120598 e natildeo 1205980 Permissividade eleacutetrica relativa 120598119903
A massa do eleacutetron eacute substituiacuteda pela massa efetiva 119898lowast
Estimativa 1198641119889 sim 001 eV para 119898lowast = 02119898 120598119903 = 16
20
119864119899119889 = minus
1
4120587120598
2119898lowast1198904
2ℏ21198992=
119898lowast
1198981205981199032 119864119899
119867
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
O pequeno valor da energia dos niacuteveis doadores faz com que seja faacutecil excitar termicamente os portadores para a BC
Os niacuteveis doadores ficam logo abaixo da BC no niacutevel 119864119889 abaixo de 119864119888 As eacute uma impureza doadora
21
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Considere a substituiccedilatildeo de um Ge por um gaacutelio (Ga)
Ga trivalente
A ideia eacute similar mas agora temos falta de um eleacutetron e natildeo excesso
Haacute um nuacutecleo de carga minus119890 e um buraco orbitando esse nuacutecleo
A situaccedilatildeo eacute simeacutetrica mas os niacuteveis satildeo proacuteximos agrave BV
22
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Os niacuteveis satildeo niacuteveis de buracos Assim eleacutetrons podem passar da BV para estes niacuteveis aceitadores (de eleacutetrons) por excitaccedilatildeo teacutermica
Surge um niacutevel aceitador 119864119886 logo acima de 119864119907 da BV
23
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Quando eleacutetrons passam da BV para um niacutevel aceitador 119864119886 geram buracos na BV que podem conduzir
Ga impureza aceitadora
Semicondutor tipo 119899 (negativo) niacuteveis doadores
Semicondutor tipo 119901 (positivo) niacuteveis aceitadores
24
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Representaccedilatildeo graacutefica
Semicondutor extriacutenseco semicondutor dopado
25
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Num semicondutor intriacutenseco (natildeo dopado) o nuacutemero de estados vazios na BV eacute igual ao nuacutemero de eleacutetrons na BC
120583 (niacutevel de Fermi) fica proacuteximo ao centro do gap
Bandas simeacutetricas
26
120583 119879 = 0 = 119864119907 +119864119892
2
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Semicondutor extriacutenseco situaccedilatildeo mais complicada
Semicondutor tipo 119899 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119889 e 119864119888 Quando 119879cresce eleacutetrons passam de 119864119889 para 119864119888 e 120583 cai
Quando metade dos eleacutetrons passa de 119864119889 para 119864119888 120583 = 119864119889
Aumentando 119879 eleacutetrons da BV passam para a BC e 120583 cai ainda mais indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922
27
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Semicondutor tipo 119901 em 119879 = 0 120583 fica entre 119864119907 e 119864119886 Quando 119879cresce buracos passam de 119864119889 para 119864119907 e 120583 cresce indo em direccedilatildeo a 119864119907 + 1198641198922 de forma similar ao que ocorre no tipo 119899
28
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
O proacuteprio gap varia com 119879
As dimensotildees da rede se alteram e com isso as bandas e os intervalos entre elas tambeacutem mudam
A distribuiccedilatildeo de focircnons varia com 119879 e isso influi nas bandas
29
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Haacute dois tipos de gaps
Gap direto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para o mesmo valor de
119896 Assim eles estatildeo verticalmente alinhados num graacutefico ℰ times 119896
30
Note que o momento transferido
pelo foacuteton eacute muito pequeno quando
comparado com o do eleacutetron
Os vetores 119896 para o eleacutetron antes e
depois da transiccedilatildeo satildeo iguais
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Gap indireto miacutenimo da BC e maacuteximo da BV ocorrem para valores diferentes
de 119896
Para haver conservaccedilatildeo de momento um focircnon deve participar da transiccedilatildeo
O focircnon pode ser absorvido + ou criado minus
31
119896119888 = 119896119894 + Ԧ119902119864119892 = ℏ120596 plusmn ℏΩ
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Os niacuteveis de energia importantes em transiccedilotildees eletrocircnicas satildeo os que ficam proacuteximos ao topo da BV e na base da BC
De forma geneacuterica estas bandas pode ser escritas como
32
ℰ 119896 = ℰ119888 +ℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119907 minusℏ2
2
120583120584
119896120583 ෩119872minus1 119896120584 buracos
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
ℰ119888 base da BC ℰ119907 topo da BV
෩119872 tensor de massa efetiva Na forma diagonal temos
As bandas satildeo elipsoides de energia constante (em 119896)
33
ℰ 119896 = ℰ119888 + ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 eleacutetrons
ℰ 119896 = ℰ119888 minus ℏ211989612
21198981+
11989622
21198982+
11989632
21198983 buracos
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Si 6 bandas de conduccedilatildeo em lang1 0 0rang
Bandas de valecircncia degeneradas em 119896 = 0
34
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Semicondutores
Ge
35
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Propriedades dos Buracos
Buracos carga oposta agrave do eleacutetron
Vetor de onda do eleacutetron 119896119890 Vetor de onda do buraco (hole)
Niacutevel de energia zero no topo da BV Eleacutetrons nela tecircm energias negativas Assim a energia do buraco eacute
36
119896ℎ = minus119896119890
120598ℎ 119896ℎ = minus120598119890 119896119890
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Propriedades dos Buracos
Velocidade do buraco
Massa efetiva
Equaccedilatildeo de movimento sob campo eletromagneacutetico
37
Ԧ119907ℎ = Ԧ119907119890 rArr 120571ℎ120598ℎ 119896ℎ = 120571119890120598119890 119896119890
119898ℎlowast = minus119898119890
lowast
ℏ119889119896ℎ119889119905
= 119890 119864 + Ԧ119907ℎ times ℬ
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Propriedades dos Buracos
Densidade de corrente
eleacutetrons na BC Ԧ119869119890 buracos na BV Ԧ119869ℎ as duas orientam-se no mesmo sentido
Notar que
Eacute importante poder determinar 119899 rArr efeito Hall
38
Ԧ119869 = 120590119864 Ԧ119869 = 120602 Ԧ119907 120602 =119873
119881119876 = 119899119876 119876 = plusmn119890
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall
Na presenccedila de um campo magneacutetico temos
ou reescrevendo
ി119903 tensor resistividade eleacutetrica
39
Ԧ119869 = ി120590 ℬ sdot 119864
119864 = ി119903 ℬ sdot Ԧ119869
119903119894119895 = ി120590minus1 119894119895
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall
Para determinar 119903119894119895 usa-se a configuraccedilatildeo abaixo chamada
configuraccedilatildeo padratildeo
40
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall
Na situaccedilatildeo estacionaacuteria 119869119910 = 0 Assim
Desenvolvendo
Magnetoresistividade longitudinal
41
119903119909119909 ℬ =119864119909119869119909
119864119909119864119910
=119903119909119909 119903119909119910119903119910119909 119903119910119910
1198691199090
119864119909 = 119903119909119909 ℬ 119869119909 119864119910 = 119903119910119909 ℬ 119869119909
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall
Magnetoresistividade transversal (resistividade Hall)
Coeficiente Hall
Tensatildeo Hall
42
119903119910119909 ℬ =119864119910
119869119909
119881119867 = 119884119864119910
119877119867 =119903119910119909
ℬ=
119864119910
119869119909ℬ
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall
Modelo 1
um tipo de portador (eleacutetrons) banda isotroacutepica densidade numeacuterica 119899 e massa efetiva 119898lowast
meio dissipativo modelado por um tempo de relaxaccedilatildeo 120591
Equaccedilatildeo de movimento
43
119898lowast119889 Ԧ119907
119889119905= minus119890119864 minus 119890 Ԧ119907 times ℬ minus
119898lowast
120591Ԧ119907
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall
Situaccedilatildeo estacionaacuteria 119889119907
119889119905= 0
Frequecircncia ciacuteclotron
44
120596119888 =119890ℬ
119898lowast
Ԧ119907 = minus119890120591
119898lowast 119864 minus119890120591
119898lowast Ԧ119907 times ℬ
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall
Desenvolvendo chega-se a (quadro)
Entatildeo
45
ി119903 ℬ =119898lowast
1198991198902120591
1 120596119888120591minus120596119888120591 1
119869119909 =1198991198902120591
119898lowast
119864119909 minus120596119888120591119864119910
1 + 12059611988821205912
119869119910 =1198991198902120591
119898lowast
120596119888120591119864119909 + 119864119910
1 + 12059611988821205912
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Magnetoresistividade transversal
Coeficiente Hall
46
119903119909119909 =119898lowast
1198991198902120591
119903119910119909 = minusℬ
119899119890
119877119867 = minus1
119899119890
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall
Modelo 2 dois portadores
eleacutetrons massa efetiva 1198981 = 1198981lowast densidade numeacuterica 119899 tempo de relaxaccedilatildeo
1205911 frequecircncia ciacuteclotron 1205961
buracos massa efetiva 1198982 = 1198982lowast densidade numeacuterica 119901 tempo de relaxaccedilatildeo
1205912 frequecircncia ciacuteclotron 1205962
47
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall
Magnetocondutividade soma das duas contribuiccedilotildees
onde
48
ി120590 ℬ =1198601 minus11986211198621 1198601
+1198602 minus11986221198622 1198602
=1198601 + 1198602 minus1198621 minus 11986221198621 + 1198622 1198601 + 1198602
119860119894 =120590119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120590119894 =119899119894119890
2120591119894119898119894
119862119894 =120590119894120596119894120591119894
1 + 1205961198942120591119894
2
120596119894 =119890ℬ
119898119894
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall
Magnetoresistividade longitudinal
Se ℬ = 0 1205961 = 1205962 = 0 e
Note que 119903119909119909 ℬ gt 119903119909119909(0) para qualquer ℬ ne 0
49
119903119909119909 ℬ =1205901 + 1205902 + 12059011205962
212059122 + 12059021205961
212059112
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119909119909 ℬ = 0 =1
1205901 + 1205902
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall
Se ocorrer
temos
Nesse caso 119903119909119909 rarr infin se ℬ rarr infin Se 119899 ne 119901 119903119909119909 satura quando ℬ rarr infin
50
120590112059621205912 = 120590212059611205911
119899 = 119901
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall
Para a magnetoresistividade transversal temos
Quando ℬ rarr infin temos (verificar)
e o coeficiente Hall fica
51
119903119910119909 =120590212059621205912 1 + 1205961
212059112 minus 120590112059611205911 1 + 1205962
212059122
1205901 + 12059022 + 120590112059621205912 minus 120590212059611205911
2
119903119910119909 =ℬ
119901 minus 119899 119890
119877119867 =1
119901 minus 119899 119890
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall Quacircntico
Em condutores bidimensionais em baixas temperaturas e campos magneacuteticos intensos ocorre o efeito Hall quacircntico
Curva da resistividade Hall (119903119910119909) em funccedilatildeo de ℬ exibe platocircs que satildeo
muacuteltiplos de
Correspondentemente 119903119909119909 = 0 nesses platocircs
52
ℎ
1198902= 25812806 Ω
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Efeito Hall Quacircntico
Os valores de 119903119910119909 satildeo dados por
ℓ isin ℤ efeito Hall quacircntico usual
ℓ =119875
119876 onde 119875 119876 isin ℤ 119876 iacutempar
efeito Hall quacircntico fracionaacuterio
53
119903119910119909 =ℎ
11989021
ℓ
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Queremos o nuacutemero de portadores por volume em funccedilatildeo de 119879 Impurezas influenciam nos valores mas eacute possiacutevel obter resultados gerais que natildeo dependem disso
Na BC temos 119899119888 eleacutetrons por volume e densidade de estados por
volume 119892119888 120598 =119967119888
119881 Entatildeo
54
119899119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 1205981
119890120573(120598minus120583) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Na BV temos 119901119907 buracos por volume e densidade de estados por
volume 119892119907 120598 =119967119907
119881 Entatildeo
120583 eacute influenciado pelas impurezas Para conhecer 120583 eacute preciso ter informaccedilotildees sobre elas
55
119901119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 1205981
119890120573(120583minus120598) + 1119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se ocorrer
eacute possiacutevel obter resultados importantes sem conhecer 120583 precisamente
Se essa condiccedilatildeo eacute vaacutelida temos um semicondutor natildeo degenerado Se natildeo eacute valida entatildeo o semicondutor eacute degenerado e natildeo eacute possiacutevel usar os resultados abaixo
56
120598119888 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Considerando a condiccedilatildeo de natildeo degenerescecircncia temos (quadro)
Definimos
57
119899119888 119879 = 119890minus120573(120598119888minus120583)න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
119873119888 119879 = න120598119888
infin
119892119888 120598 119890minus120573(120598minus120598119888) 119889120598
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
De forma similar temos
e
58
119899119888 119879 = 119890minus120573 120598119888minus120583 119873119888 119879
119875119907 119879 = නminusinfin
120598119907
119892119907 120598 119890minus120573(120598119907minus120598) 119889120598
119901119907 119879 = 119890minus120573 120583minus120598119907 119875119907 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
As energias envolvidas para os eleacutetrons e buracos satildeo da ordem de 119896119861119879 Com isso eacute possiacutevel escrever
e considerando as bandas com forma paraboacutelica em torno da base da BC e do topo da BV temos para a BC
59
119892119894 120598 =1
212058722119898119894
ℏ2
32
120598 minus 120598119894
120598119896 = 120598119888 +ℏ21198962
2119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Com isso achamos (quadro)
e
60
119873119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119875119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo obtemos
e
61
119899119888 119879 =1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120598119888minus120583)
119901119907 119879 =1
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573(120583minus120598119907)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
A partir disso obtemos
que eacute a lei de accedilatildeo de massas
Para semicondutor intriacutenseco
62
119899119888 119879 119901119907 119879 = 119873119888 119879 119875119907 119879 119890minus120573119864119892
119899119888 119879 = 119901119907 119879 = 119899119894 119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
Aleacutem disso achamos tambeacutem (quadro)
63
119899119894 119879 =1
4
2
120587120573ℏ2
32
11989811988811989811990734119890minus1205731198641198922
120583 119879 = 120598119907 +119864119892
2+3
4119896119861119879 ln
119898119907
119898119888
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Ex
64
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor extriacutenseco
Lei de accedilatildeo de massas eacute vaacutelida e escrevemos
Desenvolvendo chegamos a (quadro)
65
119899119888 minus 119901119907 = Δ119899 (ne 0)
119899119888 119879 119901119907 119879 = 1198991198942
119899119888119901119907
=Δ119899 2 + 4119899119894
2
2plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Obtemos tambeacutem
que indica qual a importacircncia das impurezas para o nuacutemero de portadores
Note que
Δ119899119899119894 soacute eacute apreciaacutevel quando 120583 natildeo eacute comparaacutevel a 120583119894
66
Δ119899
119899119894= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
120598119888 minus 120583119894 ≫ 119896119861119879
120583119894 minus 120598119907 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Semicondutor natildeo degenerado 120583 sim 119874(120583119894) e Δ119899
119899119894≪ 1 rArr niacuteveis de
impurezas natildeo satildeo importantes
Nesse caso
A concentraccedilatildeo do portador majoritaacuterio eacute Δ119899
119899119894
2vezes maior que a do
outro portador
67
119899119888119901119907
=Δ119899
2+
1198991198942
Δ119899 2 plusmnΔ119899
2
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se Δ119899 gt 0 119899119888 ≫ 119901119907 e temos um semicondutor tipo 119899 (excesso de eleacutetrons)
Se Δ119899 lt 0 119901119907 ≫ 119899119888 e o semicondutor eacute tipo 119901 (excesso de buracos)
68
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Vamos agora estimar a influecircncia de 119879 nos niacuteveis das impurezas
Os niacuteveis das impurezas doadoras ficam em 120598119889 logo abaixo de 120598119888 Os niacuteveis aceitadores ficam em 120598119886 logo acima de 120598119907
Haacute 119873119889 impurezas doadoras por volume e 119873119886 impurezas aceitadoras por volume
Portadores em niacuteveis de impurezas natildeo interagem (hipoacutetese)
69
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Cada niacutevel doador pode estar vazio ter um eleacutetron ou dois eleacutetrons Essa uacuteltima configuraccedilatildeo tem energia muito alta e eacute pouco provaacutevel
Nuacutemero meacutedio de ocupaccedilatildeo de um niacutevel qualquer (Termodinacircmica grande-canocircnico)
70
119899 =σ119873119895119890
minus120573(119864119895minus120583119873119895)
σ119890minus120573(119864119895minus120583119873119895)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para um dado niacutevel doador temos 119873119895 = 0 ou 119873119895 = 1 (uarr ou darr)
Assim o nuacutemero meacutedio de eleacutetrons nos niacuteveis doadores eacute
71
119899 =1
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
119899119889 =119873119889
1 +12 119890
120573(120598119889minus120583)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Para os niacuteveis aceitadores a ideia eacute similar trocando-se eleacutetrons por buracos Assim
Queremos generalizar a condiccedilatildeo 119899119888 = 119901119907 vaacutelida para equiliacutebrio teacutermico em semicondutores intriacutensecos
72
119901119886 =119873119886
1 +12 119890
120573(120583minus120598119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Conservaccedilatildeo de carga
Condiccedilatildeo para semicondutor natildeo degenerado
73
119899119888 + 119899119889 minus 119901119907 + 119901119886 = 119873119889 minus 119873119886
120598119889 minus 120583 ≫ 119896119861119879
120583 minus 120598119886 ≫ 119896119861119879
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se esta condiccedilatildeo eacute verificada ocorre
Assim praticamente todos os niacuteveis de impurezas estatildeo ionizados (vazios ndash doadores com eleacutetrons ndash aceitadores)
Conservaccedilatildeo de carga fica
74
119899119888 + 119899119889 = 119873119889 minus 119873119886 = Δ119899
119899119889 ≪ 119873119889 119901119886 ≪ 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Entatildeo
e
75
119873119889 minus 119873119886119899119894
= 2 sinh 120573 120583 minus 120583119894
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886
2 + 41198991198942 12
plusmn1
2(119873119889 minus 119873119886)
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Regime intriacutenseco 119899119894 ≫ |119873119889 minus 119873119886|
Regime extriacutenseco 119899119894 ≪ |119873119889 minus 119873119886|
76
119899119888119901119907
= 119899119894 plusmn1
2(119873119889 minus119873119886)
119899119888119901119907
=1
2119873119889 minus 119873119886 +
1198991198942
119873119889 minus 1198731198862119873119889 minus119873119886 plusmn
1
2119873119889 minus 119873119886
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Se 119873119889 gt 119873119886
Se 119873119889 lt 119873119886
77
119899119888 = 119873119889 minus119873119886 119901119907 =1198991198942
119873119889 minus 119873119886
119899119888 =1198991198942
119873119886 minus 119873119889 119901119907 = 119873119886 minus 119873119889
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Em baixas temperaturas ou para altas concentraccedilotildees de impurezas
uma das fraccedilotildees 119899119889
119873119889ou
119901119886
119873119886(natildeo ambas) pode deixar de ser despreziacutevel
rArr niacutevel natildeo estaacute totalmente ionizado
A densidade de portadores dominante diminui com 119879
78
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
Outro efeito em 119879 baixa eacute a possibilidade de ocorrer tunelamento entre os niacuteveis de impurezas por causa da superposiccedilatildeo das funccedilotildees de onda rArr hopping
79
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Portadores em funccedilatildeo de 119931
80
Ge dopado com Sb
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Vamos agora investigar um dispositivo formado por semicondutores junccedilatildeo pn
81
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Hipoacuteteses
1 Semicondutor tipo n apenas niacuteveis doadores tipo p apenas niacuteveis aceitadores
2 1D (direccedilatildeo x)
3 Junccedilatildeo ocorre em 119909 = 0 Regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 lt 119909 lt 119889119899
4 Impurezas tipo n densidade 119873119886(119909) Tipo p densidade 119873119889(119909)
5 Densidades dadas por
6 Impurezas ionizadas rArr saturaccedilatildeo longe da junccedilatildeo
82
119873119889 119909 = ቊ119873119889 119909 gt 00 119909 lt 0
119873119886 119909 = ቊ0 119909 gt 0119873119886 119909 lt 0
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Considere os semicondutores separados
Tipo 119899 120583 entre 119864119888 e 119864119889
Tipo 119901 120583 entre 119864119907 e 119864119886
Diferenccedila 119890Δ120601
83
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Colocando os semicondutores em contato
84
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
A diferenccedila no potencial quiacutemico gera fluxo de eleacutetrons do lado 119899para o 119901
85
O lado 119901 fica negativo
na regiatildeo da junccedilatildeo O
lado 119899 fica positivo
Surge campo eleacutetrico na
junccedilatildeo
BV e BC na regiatildeo 119901 satildeo
mais altos que na regiatildeo
119899 Diferenccedila 119890Δ120601
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
O campo eleacutetrico orienta-se de 119899 rarr 119901 O potencial eleacutetrico correspondente aumenta de 119901 rarr 119899
Eles aparecem numa regiatildeo chamada de regiatildeo de depleccedilatildeo Fora dela o potencial eacute constante e o campo eacute nulo
Em geral haacute circulaccedilatildeo de cargas nos dois sentidos
86
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Num dado instante algum eleacutetron da BV na regiatildeo 119901 eacute excitado termicamente agrave BC da regiatildeo 119901
Posteriormente ele pode seguir para a BC da regiatildeo 119899 Isso daacute origem agrave corrente teacutermica
Noutro instante algum eleacutetron num niacutevel da BC do lado 119899 abaixo da BC do lado 119901 pode sofrer flutuaccedilatildeo em energia e atingir energia compatiacutevel com a BC-119901 passando para ela Essa eacute a corrente de recombinaccedilatildeo
87
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
No equiliacutebrio teacutermico sem potencial externo a corrente total eacute nula
A aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa modifica o comportamento da corrente de recombinaccedilatildeo sem alterar a corrente teacutermica
88
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
O potencial eleacutetrico altera o hamiltoniano do sistema da seguinte forma
Com isso temos
e
89
ℋ119899 = ℰ119899 119896 minus 119890120601 119909
119899119888 119909 = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 119909 minus120583)
119901119907 119909 = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 119909
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Saturaccedilatildeo (longe da junccedilatildeo)
Graficamente
90
119873119889 = 119899119888 infin = 119873119888 119879 119890minus120573(120598119888minus119890120601 infin minus120583)
119873119886 = 119901119907 minusinfin = 119875119907 119879 119890minus120573 120583minus120598119907+119890120601 minusinfin
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Definindo
temos a condiccedilatildeo (quadro)
que eacute uma condiccedilatildeo de contorno para o problema
91
Δ120601 = 120601 infin minus 120601(minusinfin)
119890Δ120601 = 119864119892 + 119896119861119879 ln119873119886119873119889119873119888119875119907
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Para achar 120601 119909 eacute preciso trabalhar com a equaccedilatildeo de Poisson (em 1D)
Na saturaccedilatildeo
Em princiacutepio combinar estas equaccedilotildees resulta numa equaccedilatildeo diferencial soluacutevel numericamente
92
1205712120601 =1198892120601
1198891199092= minus
120602 119909
120598
120602 119909 = minus119890[119899119888 119909 minus 119901119907 119909 + 119873119886 119909 minus 119873119889(119909)
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Estimativa mais uacutetil (quadro) potencial soacute varia na regiatildeo de depleccedilatildeo minus119889119901 le 119909 le 119889119899 A densidade fica
Para 119909 lt minus119889119901 e 119909 gt 119889119899 o campo eacute nulo e o potencial eacute constante
93
120602 119909 = ൞
0 119909ltminus119889119901minus119890119873119886 minus119889119901lt119909lt0
119890119873119889 0lt119909lt1198891198990 119909gt119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Apoacutes resolver a equaccedilatildeo de Poisson o potencial fica
94
120601 119909 = 120601 minusinfin 119909 lt minus119889119901
120601 119909 = 120601 infin 119909 gt 119889119899
120601 119909 = 120601 minusinfin +1198901198731198862120598
119909 + 1198891199012 minus119889119901lt 119909 lt 0
120601 119909 = 120601 infin minus1198901198731198892120598
119909 minus 1198891198992 0 lt 119909 lt 119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Graficamente
95
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
A continuidade do campo e do potencial em 119909 = 0 fornece
e
Com isso eacute possiacutevel determinar a largura da regiatildeo de depleccedilatildeo
96
Δ120601 =119890
2120598(119873119886119889119901
2 + 1198731198891198891198992)
119873119886119889119901 = 119873119889119889119899
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Para 119889119901 temos
e para 119889119899 ficamos com
97
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Largura total
Ex para Δ120601 sim 1 V 120598 = 10minus10 Fm e 119873119886 119873119889 na faixa 1014 a 1018
portadorescm3 temos 119908 sim 102 minus 104 Å e campos da ordem de 105 minus 107 Vm
98
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598Δ120601
119890
12
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo 119953119951
Na junccedilatildeo pn usual 119873119886 sim 119873119889 e ambos natildeo satildeo muito grandes
Eacute interessante considerar o caso onde 119873119886 119873119889 ou ambos satildeo grandes Temos as junccedilotildees
p+n119873119886 ≫ 119873119889
pn+ 119873119889 ≫ 119873119886
p+n+ ambos satildeo grandes
99
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo homopolar
Podemos combinar portadores de mesmo tipo formando junccedilotildees homopolares onde apenas um tipo de portador eacute relevante
p+p acuacutemulo de buracos no lado p
n+n acuacutemulo de eleacutetrons no lado n
Elas facilitam a conduccedilatildeo ao contraacuterio da junccedilatildeo pn
100
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos agora considerar o efeito da aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo externa agrave junccedilatildeo
Ocorre deslocamento do equiliacutebrio sob tensatildeo externa
Recordando na junccedilatildeo eleacutetrons passam naturalmente do lado 119899 para o 119901
Considere uma fonte de tensatildeo contiacutenua com terminais (+) e (-)
101
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Ao conectar o terminal (+) no lado 119899 e o (-) no 119901 o campo eleacutetrico na regiatildeo da junccedilatildeo fica mais intenso
A altura da barreira de potencial aumenta
O efeito eacute dificultar a passagem de eleacutetrons no sentido 119899 rarr 119901
Com isso a corrente de recombinaccedilatildeo diminui
102
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A corrente teacutermica natildeo eacute alterada pois depende apenas de 119879
Assim eleacutetrons vatildeo de 119901 rarr 119899 e corrente flui de 119899 rarr 119901
Essa eacute a corrente de polarizaccedilatildeo reversa e eacute pequena
103
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Conectando o terminal (+) ao lado p e o (-) ao n a situaccedilatildeo se inverte
A altura de barreira diminui o campo eleacutetrico fica menos intenso e a corrente de recombinaccedilatildeo cresce muito
Haacute corrente eleacutetrica no sentido 119901 rarr 119899 Esta eacute a corrente de polarizaccedilatildeo direta que eacute 4-5 ordens de grandeza maior que a reversa (tipicamente)
104
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Vamos considerar que 119881 gt 0 corresponde agrave polarizaccedilatildeo direta e 119881 lt0 agrave reversa
105
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Diferenccedila de potencial na junccedilatildeo sob tensatildeo externa
Δ1206010 ddp para 119881 = 0 (situaccedilatildeo de equiliacutebrio)
A aplicaccedilatildeo da tensatildeo externa altera os limites da regiatildeo de depleccedilatildeo
106
Δ120601 = Δ1206010 minus 119881
119889119901 =119873119889119873119886
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
119889119899 =119873119886119873119889
1
119873119889 + 119873119886
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Largura total
Interessa-nos investigar as correntes na regiatildeo da junccedilatildeo pn
Convenccedilatildeo
119895 densidade de corrente eleacutetrica
119973 densidade de corrente numeacuterica
107
119908 = 119889119899 + 119889119901 =119873119886 + 119873119889119873119886119873119889
2120598 Δ1206010 minus 119881
119890
12
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Relaccedilatildeo entre as densidades
Quando 119881 = 0 119973119890 = 119973ℎ = 0 rArr compensaccedilatildeo entre corrente teacutermica e de recombinaccedilatildeo
Para eleacutetrons
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
108
119895119890 = minus119890119973119890 119895ℎ = 119890119973ℎ
119973119890 = 119973119890term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Para buracos
119973119890term densidade numeacuterica de corrente teacutermica em 119881 = 0
Densidade resultante (vetorial)
Como determinar os coeficientes Outra abordagem
109
119973ℎ = 119973ℎterm 119890120573119890119881 minus 1
119895 = 119890 119973ℎterm + 119973119890
term 119890120573119890119881 minus 1
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Correntes podem ser geradas por campos eleacutetricos ou por gradientes de concentraccedilatildeo de portadores (correntes de difusatildeo) Em 1D
Estas equaccedilotildees combinam as relaccedilotildees
110
119973ℎ = 120583ℎ119901119907119864 minus 119863119901119889119901119907119889119909
Ԧ119895 = 120590119864
119973119890 = minus120583119890119899119888119864 minus 119863119899119889119899119888119889119909
Ԧ119895 = minus119863120571ϱ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
120583119890 e 120583ℎ mobilidade de eleacutetrons e buracos (120583119894 gt 0)
A mobilidade eacute dada por
De
sai
111
120583 =Ԧ119907
119864
Ԧ119895 = 120602 Ԧ119907
120590119890 = 119890119899120583119890 120590ℎ = 119890119901120583ℎ 120590 = 120590ℎ + 120590119890 = 119890(120583119890119899 + 120583ℎ119901)
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
119863119901 e 119863119899 coeficientes de difusatildeo para buracos e eleacutetrons
Satildeo grandezas positivas e relacionadas com 120583119894 pelas relaccedilotildees de Einstein
112
120583119890 =119890119863119899119896119861119879
120583ℎ =119890119863119901119896119861119879
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
A condutividade pode ser modelada por
Com isso a mobilidade pode ser escrita como
120591119894col tempo meacutedio de colisotildees para o portador i
119898119894 massa efetiva do portador i
113
120590 =1198991198902120591
119898
120583119890 =119890120591119890
col
119898119890120583ℎ =
119890120591ℎcol
119898ℎ
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Equaccedilatildeo de continuidade
Escrevendo em termos das densidades numeacutericas temos
Entretanto estas equaccedilotildees natildeo consideram a transferecircncia de cargas entre as bandas
114
120571 sdot Ԧ119895 +120597120602
120597119905= 0
120597119899119890120597119905
= minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Levando em conta as transferecircncias de cargas obtemos
Iacutendice g-r geraccedilatildeo ndash recombinaccedilatildeo Modelo para essas taxas
1198991198940 valores de equiliacutebrio
120591119894 tempo meacutedio de recombinaccedilatildeo
115
120597119899119890120597119905
=119889119899119888119889119905
119892minus119903
minus120597119973119890120597119909
119889119899119888119889119905
119892minus119903
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899
120597119901119907120597119905
=119889119901119907119889119905
119892minus119903
minus120597119973ℎ120597119909
119889119901119907119889119905
119892minus119903
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Note que em geral 120591119894 ≫ 120591119894col pois as colisotildees satildeo intrabandas e as
recombinaccedilotildees satildeo interbandas
Tipicamente 120591119894col sim 10minus12 - 10minus13 s e 120591119894 sim 10minus3 - 10minus8 s
Com isso temos
116
120597119899119890120597119905
= minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899minus120597119973119890120597119909
120597119901119907120597119905
= minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901minus120597119973ℎ120597119909
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Situaccedilatildeo estacionaacuteria para 119881 ne 0
Caso particular Ԧℰ pequeno e concentraccedilatildeo de portadores majoritaacuterios constante
117
120597119973119890120597119909
+119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0
120597119973ℎ120597119909
+119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
11986311989911988921198991198881198891199092
minus119899119888 minus 119899119888
0
120591119899= 0 119863119901
11988921199011199071198891199092
minus119901119907 minus 119901119907
0
120591119901= 0
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Comprimentos de difusatildeo distacircncias caracteriacutesticas em que as concentraccedilotildees voltam aos valores de equiliacutebrio
Soluccedilatildeo considerando que estamos do lado 119899 da junccedilatildeo
118
119871119899 = 119863119899120591119899 119871119901 = 119863119901120591119901
119901119907 = 119901119907 infin + 119901119907 1199090 minus 119901119907 infin 119890minus(119909minus1199090)119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Estimativa para as densidades numeacutericas de corrente
A densidade de corrente fica
Lembrar que
119
119973ℎ119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119889
119871119901120591119901
119973119890119905119890119903119898 =
1198991198942
119873119886
119871119899120591119899
119895 = 1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
119890120573119890119881 minus 1
1198991198942 =
1
4
2119898119888
120587120573ℏ2
321
4
2119898119907
120587120573ℏ2
32
119890minus120573119864119892
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Corrente de saturaccedilatildeo 119881 rarr minusinfin
120
119895 = minus1198901198991198942 119863119899
119873119886119871119899+
119863119901119873119889119871119901
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Junccedilatildeo sob Tensatildeo Externa
Se 119881 gt 0 rarr polarizaccedilatildeo direta corrente apreciaacutevel
Se 119881 lt 0 rarr polarizaccedilatildeo reversa corrente baixa
121
retificador
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123
Transistor
119901+ altamente dopada emissor
119899 fracamente dopada e fina base
119901 moderadamente dopada coletor
122
119881119864 gt 0
polarizaccedilatildeo
direta emissor-
base
119881119862 ≪ 0
polarizaccedilatildeo
reversa base-
coletor
Transistor
Praticamente toda a corrente que entra no emissor segue para o coletor 119868119862 sim 119868119864
Como 119881119862 ≫ 119881119864 temos um amplificador de potecircncia
123