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Física dos SemicondutoresDisciplina 2312EE2 Eletrônica I – Prof. Dr. Alceu Ferreira Alves - 2018
Resistividade
Condutor(fácil fluxo de cargas)
SemicondutorIsolante
(difícil fluxo de cargas)
COBRE: r = 10-6 W.cmGERMÂNIO: r = 50 W.cm
SILÍCIO: r = 50 x 10-3 W.cmMICA: r = 1012 W.cm
cm.cm
cm.
L
A.R
A
LR W
Wrrr
2
Modelo de Bohr (1913)
Representação bidimensional – mais simples
Núcleo tem 14P + 14N – carga total positiva
Órbita tem 14e – negativa
Os elétrons não caem no núcleo pela atração dos prótons devido à força centrífuga de seu movimento
Tetravalente, possui 4 elétrons na última camada (órbita de valência)
Germânio (n=32) – também é tetravalente2-8-18-4
Exemplo: silício (n=14)
2 – 8 – 4
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Estrutura: arranjo repetitivo de átomos
Organização dos átomos de silício:estrutura cristalina ou cristal
Cada átomo tende a ligar-se a outros 4 para completar os 8 elétrons da última camada (estabilizar-se).
Os átomos então compartilham seus elétrons da órbita de valência com outros 4 átomos vizinhos
Ligações Covalentes – formam um material sólido e duro - cristal
Si Si
SiSi
Si
Si
-
-- -
-
-- -
-
-- -
-
-- -
-
-- -
-
-- -
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Níveis de Energia no Átomo
núcleo
r1r2
r3
r1
r2
r3
ENERGIA
3º nível
2º nível
1º nível de energia
LIMITE DO NÚCLEO
são discretos e aumentam conforme a distância do elétron ao núcleo(raio orbital)
conceito válido somente para um átomo, isolado, que não sofre ainteração das demais forças do cristal)
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Bandas de Energia cada elétron sofre influências das cargas vizinhas dentro do cristal,
tendo órbitas ligeiramente diferentes, configurando a banda de energia
Representam os níveis de energia mais prováveis para os elétrons deum cristal
r1
r2
r3
ENERGIA
1ª banda
2ª banda
Banda de Valência
Banda de Condução
Bandas preenchidas: todas as órbitas disponíveis estão ocupadas por elétrons
Exemplo: a banda de valência já está ocupada por 8 elétrons.
Exemplo: silício (temperatura ligeiramente superior a 0ºK)
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V
Cristal de Silício puro a 25ºC
- - - - - - -- - - - - - -- - - - - - -- - - - - - -
+
movimento
dos elétrons
metal
Potencial de Ionização energia necessária para remover os elétrons da última camada
Acima do zero absoluto a energia térmica quebra algumas ligações covalentes e alguns
elétrons vão à banda de condução.
CAMPO ELÉTRICO CORRENTE ELETRÔNICA
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Corrente de Elétrons e Corrente de Lacunas
Ao deslocar-se um elétron para a Banda
de Condução (BC), fica na Banda de
Valência (BV) uma “ausência” de carga
negativa chamada LACUNA (hole),
representando uma carga positiva. Esta
lacuna atrai outro elétron, criando nova
lacuna, e assim por diante.
Este movimento fictício, de “cargas
positivas”, que ocorre na BV é chamado
corrente de lacunas.
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Definições
Par elétron-lacuna
Para cada elétron na BC existe uma lacuna correspondente na BV
Recombinação
Quando a órbita de condução de um átomo intercepta a órbita devalência de outro, ocasiona a volta do elétron para a BV e odesaparecimento de um par elétron-lacuna
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Definições
Material intrínseco
Material semicondutor com alto grau de pureza
Dopagem
Introdução de átomos de impurezas em um cristal intrínsecopara aumentar o número de pares elétron-lacuna
(o material dopado é chamado “Material Extrínseco”)
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DefiniçõesSemicondutor tipo n
acrescenta-se impureza pentavalente (doadora); o elétron ‘extra’ vai para a BC.
PORTADORES MAJORITÁRIOS:elétrons da BC
PORTADORES MINORITÁRIOS:as lacunas da BV
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DefiniçõesSemicondutor tipo p
acrescenta-se impureza trivalente (aceitadora); aumenta o número de lacunas.
PORTADORES MAJORITÁRIOS:as lacunas da BV
PORTADORES MINORITÁRIOS:os elétrons da BC
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Junção p-n
• O resultado é uma junção p-n
• Uma extremidade de um cristal de silício ou germânio podeser dopada como um material do tipo p e a outra extremidadecomo um material do tipo n.
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Correntes do diodo,Polarização,Curva Característica,Reta de Carga,Ponto de Operação
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Junção p-n
• Uma extremidade de um cristal de silício ou germâniodopada como um material do tipo p e a outra extremidadecomo um material do tipo n.
• A construção da junção p-n resulta no dispositivomais simples utilizado em Eletrônica, conhecido comoDiodo de Junção.
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Junção p-n
• Lado n: os elétrons em excesso na banda de condução sãoatraídos pelas lacunas na banda de valência no lado p
e atravessam a junção.
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Junção p-n
• Lado p: os elétrons que migraram do lado n recombinam-seprimeiramente com as lacunas próximas à junção,criando íons negativos (cargas fixas no cristal).
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Junção p-n
• Cada vez que um elétron difunde-se através dajunção, gera um par de íons; estes são fixos pelasligações covalentes.
• Quanto maior o número de íons, menos elétronslivres e lacunas. A região está deplecionada.
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Junção p-n
• A soma das cargas dos íons em um dos lados da junçãorepresenta o potencial total destes íons
• A diferença entre os potenciais dos lados p e n é chamada deBarreira de Potencial
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Correntes em um Diodo de Junção
• O movimento de cargas que ocorre naturalmente,sem aplicação de forças externas, é chamadoCorrente de Difusão.
• O movimento de cargas que ocorre pelaaplicação de força externa (Campo Elétrico), échamado Corrente de Deriva.
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Diodo emPolarização Direta • Corrente Eletrônica:
1) elétron entra na região n como um elétron-livre (repelido pelo potencial negativo da fonte de alimentação);2) atravessa a junção e recombina-se com uma lacuna (geralmente próxima à junção);3) caminha pela região p como elétron de valência (de lacuna em lacuna, atraído pelo terminal positivo da fonte);4) encontra o terminal positivo da fonte.
p
+ +
+ +
+ +
+ +
- -
- -
- -
- -
n
_
_
_
_
+
+
+
+
V
+
movimento
dos elétrons
OBS.: caminho BC BV libera energia (geralmente em forma de calor, o que causa o aquecimento do diodo quando conduzindo corrente em polarização direta)
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Diodo – símbolo e sentido da corrente
p n
anodo catodo
sentido da corrente convencional
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Diodo emPolarização Reversa
• O que ocorre:
1) elétrons da região n são atraídos pelo terminal positivo da fonte, deixando íons positivos;2) lacunas da região p são atraídas pelo terminal negativo da fonte, deixando íons negativos;3) o processo significa um alargamento da camada de depleção até que seu potencial seja igual à tensão da fonte;4) idealmente, não há fluxo de corrente.
p
+ +
+ +
+ +
+ +
- -
- -
- -
- -
n
_
_
_
_
+
+
+
+
V
+
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Corrente Reversa• Corrente de valor baixo• 2 componentes principais:
Corrente de Portadores Minoritários (IS) – causada pela energia térmica, que cria continuamente pares elétron-lacuna em ambos os lados da junção.(regra prática: IS dobra para cada aumento de 10ºC na temperatura)
Corrente de Fuga (IFS) – causada por imperfeições na superfície do cristal, que criam caminhos ôhmicos para a corrente.(também chamada corrente de fuga superficial)
a Corrente Reversa depende da temperatura e
da tensão reversa aplicada
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Tensão de Ruptura (VBR)
É uma tensão reversa que, aplicada ao diodo, ocasionará uma intensa corrente reversa, que danificará o componente por excesso de potência.
VBR = BV = breakdown voltage
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Curva característica
v
i
Região direta
Joelho
Tensão de
ruptura
Corrente
Reversa
0,7V
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Circuito de polarização direta
Vs+
_
Rs
VR
V
I
1) I é a corrente em todos os
componentes do circuito;
2) VR = tensão sobre o resistor RS
3) V é a tensão sobre o diodo
IRVV
IRV
VVV
SS
SR
RS
.
.
Equacionamento:
Equação da Reta de Carga
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Reta de Carga• É o conjunto de todas as possíveis combinações de corrente e tensão para um diodo em um determinadocircuito.
0
0
S
S
S
R
VIV
VVI
2 pontos:
IRVV SS .Equação da reta de carga:
i
v
VS/RS
VS
Tensão de Corte
Corrente deSaturação
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Ponto de OperaçãoTraçando-se a reta de carga no mesmo gráfico da curva do diodo, há um único ponto comum entre eles, o qual é chamado Ponto de Operação.
i
Q = Ponto de Operação
0,7
Isat =
v [volts]
[mA]
1,0 2,0 3,0
10
20
30
Vcorte =
VVV
mAR
VI
Scorte
S
Ssat
3
20150
3
:se-Calcula
EXEMPLO DE PONTO DE OPERAÇÃOSuponha um diodo com a curva característica direta apresentada e circuito com os seguintes valores:
VS = 3VRS = 150 W
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Aproximações do diodoe Circuitos com diodos
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Aproximações do diodo• Primeira aproximação (Diodo ideal)
funciona como uma chave – aberta ou fechada
i
DIRETO: corrente máxima, tensão zero
v
REVERSO: tensão máxima, corrente zero
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Aproximações do diodo• Segunda aproximação
funciona como uma chave – aberta ou fechada, mas considera a tensão da barreira de potencial
i
v0,7V
0,7V
+ -
DIRETO: corrente máxima, tensão VF
REVERSO: tensão máxima, corrente zero
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Aproximações do diodo• Terceira aproximação
considera também a resistência de corpo dodiodo, após vencida a barreira de potencial
i
v0,7V
0,7V
+ -
rb
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Resistências do diodo Resistência direta (RF)
É a relação tensão/corrente no ponto de operação,para um diodo diretamente polarizado.
F
FFd
I
VR
Resistência reversa (RR)É a relação tensão/corrente para um diodoreversamente polarizado.
Resistência dinâmica (RFd)É a resistência média de um diododiretamente polarizado, medida emum intervalo de tensão e correnteao redor do ponto de operação.
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Circuitos com diodos
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• Tensão instantânea:
• Frequência angular:
• Valor de Pico:
• Frequência:
• Período distância temporal entre 2 pontos de mesma fase
)...2(.)( tfsenVtv P
f..2
PV
Tf 1
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• Tensão de Pico-a-Pico:
(tensão de “pico a vale” – ABNT)
• Tensão Eficaz (rms):
• Tensão Média (cc ou DC):
PPPpp VVVV 2)(
PPRMS VVV2
2707,0
0).(.1
0 T
PCC dttsenVT
V
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Exemplo: tensão da linha
• Considere uma rede de energia com tensão de 127V (eficaz)e frequência de 60Hz. Calcular:
1) frequência angular2) período3) valor de pico
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Circuito Retificador• Converte um sinal alternado (tensão ou corrente) em sinal contínuo• CA CC (pulsante)
• Valor médio da tensão de saída:
v(t) RL
P
CC
VV
diodo ideal
)...2(.)( tfsenVtv P
Retificador de Meia-Onda
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Tensão Reversa Máxima (PIV)
O diodo reversamente polarizado deve ter, obrigatoriamente,
VBR suficiente para suportar a tensão reversa máxima (PIV)
aplicada pelo circuito onde está inserido.
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