pn a1 semicon [modo de compatibilidade] · junção pn polarizada reversamente-neste caso...
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Diodo de Junção 1Cap. 3 Sedra/SmithCap. 1 Boylestad
JUNÇÃO SEMICONDUTORA
PN
Notas de Aula SEL 313Circuitos Eletrônicos 1
1o. Sem/2016Prof. Manoel
Fundamentos e Revisão de Conceitossobre Semicondutores
Semicondutores : material cuja condutividade/resistividade situa-seentre as dos materiais condutores e isolantes.
Cobre (Cu) 10-6 -cm Silício (Si) 50 103 -cm ISOLANTES 1012 -cmGermânio (Ge) 50 -cm
Material Semicondutor típico em Eletrônica
→ Silício puro (intrínseco) Z = 14(9N) 99,999999999% puro (3 camadas eletrônicas)
(11N) (célula solar) 4 elétrons de valência
→ Germânio (intrínseco) Z = 32(4 camadas eletrônicas)4 elétrons de valência
Material SemicondutorFormam estrutura cristalina regular ;Abundantes na natureza, principalmente o silício (areia);Permitem fabricação com alto grau de pureza;
-1 cm3 contem 5 1022 átomos de Si .( talvez : 500 000 000 000 impurezas )
- Na temperatura ambiente encontram-se 1,5 1010 pares elétrons/lacunas livres,portanto 1 em cada um Bilhão deátomos encontra-se ionizado.
- Para o Cobre (Cu-29)-materialcondutor 8,5 1023 átomos/cm3
átomos com um elétron livrepor átomo. (pureza 3N a 7N)
Figura 1.1 - Tabela periódica dos elementos químicos.
Figura 1.2 - Representação do Si e do Ge: (a) e (b); (c) Rede
cristalina do silício intrínseco (puro)
Material Semicondutor- Cada um dos elementos típicospossuem 4 elétrons de valência
que formarão ligações covalentes com átomos adjacentes e constituirão a rede cristalina do material.
CamadasNúcleo
Elétronsde valência
Elétrons devalência
Ligaçõescovalentes
Átomos desilício
(c)
Figura 1.3 - Rede cristalina em temperatura ambiente com pares de elétrons/lacunas livres.
Elétrons/Lacunas livres
Elétrons devalência
Elétronslivre
Lacunalivre
LigaçãoCovalentedesfeita
Ligaçãocovalente
Átomo de
silício
1,5 1010 pares de
elétrons/lacunaslivres a 300 oK
e a cadacm3.
Carga elétrica
total NULA
Figura 1.4 - Concentração e difusão de cargas.
Concentração de cargas- Havendo concentração de cargas, pode-se representar o nível de concentração de carga positivas p ( ou negativas n) de forma gráfica.
- Eliminando o efeito concentrador, ocorre Difusão de cargas até atingir um regime de distribuição uniforme e aleatória.
Con
cent
raçã
o p
Silício Dopado ou Extrínseco- A DOPAGEM visa alterar as características do material puroacrescentando controladamente impurezas que aumentarão o número deelétrons ou lacunas livres controle e alteração da condutividadefinal.
Resultado : Silício tipo P ou tipo N
-Silício Tipo P : dopagem com impurezas Trivalentes como Boro (B/5) ou Gálio (Ga/31) ou Índio (In/49).
Impureza aceitadora.Haverá excesso de Lacunas-Livres
Silício Tipo N : dopagem com impureza Pentavalente tal como Fósforo (P/15) ou Arsênio (As/33) ou Antimônio (Sb/51).
Impureza doadora (de elétrons)Haverá excesso de Elétrons-Livres
(A dopagem P ou N não afeta os 1,5 1010
portadores/cm3 do efeito térmico)
Silício Dopado ou Extrínseco
Silício Dopado ou Extrínseco
- A Dopagem é um processo tecnológico que no caso do silício
introduz-se em média 1 átomo de impureza a cada 107 átomos de Si.
- Dependendo a aplicação, a concentração final de impurezas atinge
1015 a 1017 por cm3.
Somente após este processo de Dopagem o semicondutor (silício ou
germânio) se tornam útil para os propósitos de fabricação de
componentes eletrônicos.
- Cada um dos tipos de silício dopado P ou N ainda tem carga total nula,
pois cada aceitador ou doador gera um par de cargas opostas.
Figura 1.5 - Silício tipo P.
Silício tipo P
- Um silício tipo P
apresenta
impureza trivalente
com
uma ligação covalente
incompleta (ou com
uma lacuna) e que
aceitará elétrons
livres do efeito
térmico.
Elétrons devalência
Ligaçõescovalentes Átomo de
silício
ImpurezaTrivalente
(aceitadora)
Lacuna
Figura 1.6 - Silício tipo N.
Silício tipo NElétrons de
valênciaLigações
covalentes
ImpurezaPentavalent
e(doadora)
Elétron-Livre
doado pelaimpureza
Átomode
silício
- Um silício tipo Napresenta
impureza pentavalentecom uma ligação
covalentecompleta e um elétron em excesso, que fica livre ou fracamente
ligado ao seu átomo. Este elétron pode ainda se
recombinar com lacunas livres geradas por efeito
térmico.
Figura 1.7 - Portadores majoritários e minoritários.
Portadores de carga
- No semicondutor dopado distingue-se os:
Portadores Majoritários provenientes da dopagem
Portadores Minoritários gerados termicamente
No tipo N : elétrons são Majoritários e lacunas Minoritárias
No tipo P : lacunas são Majoritárias e elétrons MinoritáriosÍons doadores Fixos Íons aceitadores Fixos
PortadoresMajoritários
Livres
PortadoresMajoritários
Livres
Portadoresminoritários
PortadoresminoritáriosTipo PTipo N
Figura 1.8 - Junção PN aberta e potencial de junção V0.
Junção PN- Resulta da junção IDEAL de dois materiais semicondutores (silício)dopados e de tipos diferentes.
Tensão deBarreira V0
Região de Depleção
Junção PN
- Devido à alta concentração de portadores majoritários livres em cadauma das partes, ocorre um fluxo de cargas positivas (lacunas) de P paraN e de cargas negativas (elétrons) de N para P.
- Próximo da junção ocorre então uma recombinação de elétrons elacunas que estabelecem então íons fixos (átomos fixos) nesta região.
- Estes íons geram por sua vez um campo elétrico com potencialpositivo na região N e negativo na região P.
-Este campo elétrico passa então a atuar como uma barreira para acontinuidade de difusão de cargas e portanto da recombinação.
Junção PN - Região de Depleção
Esta região de largura fixa e repleta de íons fixos se encontra vazia de
cargas livres, ou seja depletada de cargas livres.
Daí o nome Região de DEPLEÇÃO.
A região de depleção tem largura dependente do nível de dopagem em cada
lado e apresenta um potencial V0, que para o silício é da ordem de 0,6V a
0,8 V .
Tipicamente adota-se V0 = 0,7V.
Junção PN polarizada reversamente
- Neste caso conecta-se uma bateria com o pólo positivo na região N e o negativo na região P.
- Desta forma retira-se elétrons da região N e injeta-se elétrons na região P.
- A retirada de elétrons em N expande a região de depleção deste lado e a injeção de elétrons em P promove maior recombinação com lacunas e também expande a região de depleção neste lado.
- O efeito final é um aumento da região de depleção que aumenta a tensão de barreira e aumenta o potencial do campo elétrico.
Com isto uma corrente muito desprezível se mantém no dispositivo.
A única corrente no dispositivo é devido aos portadores minoritários
gerados termicamente e que sofrem ação do campo elétrico na região de
depleção.
O aumento da tensão reversa irá aumentar cada vez mais a tensão de
barreira e no limite irá danificar o dispositivo.
Junção PN polarizada reversamente
Figura 1.9 - Junção PN reversa.
Junção PN polarizada reversamente
Corrente de portadores minoritários
Região de Depleção
Junção PN polarizada diretamente
Neste caso o terminal positivo da bateria é ligado na região P e onegativa na região N.
Agora ocorre injeção de elétrons em N e retirada de elétrons em P.
Com mais elétrons ainda na região N e aumento de lacunas na região P
a recombinação destes na região de fronteira promove um diminuição
da largura da região de depleção.
Com isto diminui-se a tensão de barreira e o potencial do campo elétrico.
O efeito final é um aumento expressivo da corrente entre os terminais dabateria através do dispositivo.
Se a tensão da bateria superar o valor da tensão de barreira (0,6V a 0,8V)a corrente no circuito sé será limitada pela resistência interna dosemicondutor.
Para valores maiores de tensão da bateria deve-se prever um mecanismode limitação de corrente externamente (resistência externa).
Junção PN polarizada diretamente
Figura 1.10 - Junção PN direta.
Junção PN polarizada diretamente
Região de depleção
majorit.majorit.
Figura 1.11 - Diodo de Junção.
DIODO de JUNÇÃO
- É constituído da junção PN vista anteriormente e de terminais metálicos para conexões externas.
- Recebe denominação : Região N CatodoRegião P Anodo
VD = 0,7 V
CatodoAnodoCorrente
direta
Diodo Ideal- No caso ideal o diodo :
se comporta como um curto circuito se polarizado direto e como umcircuito aberto se polarizado reverso.
conduz uma corrente apenas limitada por um circuito externo ou nãoconduz nada se polarizado em modo direta ou reverso respectivamente
Figura 1.12 - Diodo Ideal.
Anodo Catodopolarização direta ...... polarização reversa
... polarização reversa polarização direta ...
Limite Imax
Limite Vmax
Diodo Ideal- Em resumo, no diodo ideal observa-se :
característica (v x i) não-linear (dois segmentos de retas);
Tensão de Barreira VD = 0V;
O diodo conduz para qualquer tensão de catodo positiva em
relação ao catodo;
EXEMPLO 01 – No caso a seguir valem as tensões e correntes
indicadas:
Polarizadodireto
Polarizadoreverso
Figura 1.13 - Modos de operação com diodo ideal.
Retificador com Diodo Ideal- EXEMPLO 02 : A operação fundamental do diodo, em função de suacaracterística não-linear, é a operação de retificação.
Um retificador básico é ilustrado a seguir tendo uma fonte de tensãoCA, um diodo ideal e uma resistência externa para limitação decorrente.
Em função do diodo a carga (resistor R) só será percorrida por umacorrente ID durante os semi-ciclos positivos da tensão da fonte CA.
Semi-ciclo positivo curto-circuitoSemi-ciclo negativo circuito aberto
Figura 1.14 - Retificador. (a) – Circuito básico; (b) – Forma de onda da tensão da fonte CA vi(t).
Retificador básico (meia-onda)
Tensão de saída(na carga R)
Tensão sob o diodo
CaracterísticaDe
Transferênciavi v0
Figura 1.15 - Operação e formas de onda do retificador.
Figura 1.16 - Retificador ideal com duas fontes.
Retificador básico- EXEMPLO 03 – Circuito com duas fontes. Avaliar intervalo decondução do diodo e valor de pico da corrente no diodo.
Solução: encontrar o instante da tensão da fonte que vale 12. Somentea partir deste instante ocorre polarização direta.
VvmAi
senarcsen
REVDD 361224 e 120100
12241202 condução Intervalo
302412 12)(24
_
Figura 1.17 - Portas lógicas OR e AND com diodos
Portas Lógicas com DiodosEm muitos casos pode-se gerar circuitos eletrônicos lógicos apenas comdiodos, tal como a seguir considerando um padrão TTL.
No primeiro caso basta uma das entradas em nível 1 (5V) que o diodoconduzirá e proporciona 5V na saída.No segundo caso a saída só será 1 (5V) se todas as três entradasestiverem em nível 1 (5V), ou seja, nenhuma corrente circulará em R e atensão 5V é vista na saída vy.
Lógica OR
Lógica AND
Figura 1.18 - Exercício 01.
Exemplos e exercícios com diodosExercício 01 : Obter V e I dos circuitos a seguir com diodo ideal.
Figura 1.19 - Exercício 02.
Exemplos e exercícios com diodosExercício 02 : Obter V e I dos circuitos a seguir com diodo ideal.
Anotações
Links para animação de fabricação de semicondutores (diodo)
http://www.ee.columbia.edu/~bbathula/courses/SSDT/lect14.pdf
Crescimento de cristal (Silício)http://www.youtube.com/watch?v=6jv6n-cV7I0&feature=related
Produção refino silíciohttp://www.youtube.com/watch?v=eypAfmrRpB0&NR=1
http://www.cleanroom.byu.edu/EW_formation.phtml
Fabricação Diodohttp://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_2/12.html
Tratamento silício Intelhttp://www.youtube.com/watch?v=aCOyq4YzBtY&feature=related
Anotações
Links para animação de junção PN
http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html
http://www.acsu.buffalo.edu/~wie/applet/pnformation/pnformation.html
http://pvcdrom.pveducation.org/SEMICON/PN.HTM
http://www.st-andrews.ac.uk/~www_pa/Scots_Guide/info/comp/passive/diode/diode.htm
http://www.youtube.com/watch?v=W6QUEq0nUH8&feature=related
Bibliografia
Conteúdo:
SEDRA - Pgs. 130 a 148
MALVINO - Pgs. 29 a 74
BOYLESTAD - Pgs. 1 a 7
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