SEMICONDUTORES
Notas de Aula – Engenharia de Controle e Automação
Prof. Thiago Morais Parreiras
Referência:
[1] SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microelectronic Circuits. 6th. ed. New York: Oxford Universit Press, 2010.
• Semicondutores
• Semicondutores Intrínsecos • Dopagem de semicondutores
• Fluxo de Corrente em Semicondutores • A junção pn em equilíbrio
METAL
• Elétrons estão fracamente ligados aos átomos;
• Resulta em grande
quantidade de elétrons livres para se mover;
• Deixam para trás um carga positiva;
• Condução é baseada na mobilidade de elétrons
ISOLANTE
• Elétrons fortemente ligados aos átomos;
• Quase ausência de elétrons livres para se mover.
SEMICONDUTOR
• Condutividade entre as do metais e dos isolantes;
• Elétrons são mais ligados aos
átomos do que nos metais, mas sob certas condições podem
deixá-los e se tornar elétrons livres;
• Deixam para trás lacunas, as quais também podem se mover;
• A condução é facilitada tanto por elétrons livres quanto por
BANDAS DE ENERGIA DE UM CRISTAL
• Bandas de energia permissíveis para
elétrons: valência e
condução
• Banda proibida: bandgap • Silício: bandgap = 1,12 eV Bandgap Bandgap > 3 eV Banda de Condução Banda de < 3 eV
O ÁTOMO DE SÍLICIO (Si)
• 4 elétrons na banda de valência; • Forma ligações covalentes com
outros 4 átomos de Si;
• Em temperatura 0 K, todas as ligações covalentes estão
intactas e o cristal de Si se comporta como isolante.
TEMPERATURA AMBIENTE
• Existe energia térmica suficiente para quebrar algumas das ligações
covalentes;
• Geram elétrons livres e lacunas;
• Aumenta-se a condutividade.
CONCENTRAÇÃO DO MATERIAL INTRÍNSECO
• Concentração de elétrons livres = n • Concentração de lacunas = p
• Concentração de elétrons livres e lacunas do material intrínseco = ni
𝑛 = 𝑝 = 𝑛𝑖
5 ∙ 1022 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 𝑐𝑚3
𝑛𝑖2 = 𝑝 ∙ 𝑛 Silício à temperatura ambiente (300 K):
𝑛𝑖 = 1,5 ∙ 1010 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑐𝑚3
𝑛𝑖 = B ∙ 𝑇32 ∙ 𝑒−
𝐸𝑔 2∙𝑘∙𝑇
DOPAGEM DE SEMICONDUTORES
• A concentração de portadores é muito pequena para permitir que o Silício intrínseco conduza correntes
apreciáveis;
• A forte dependência da condução com a temperatura é indesejável para dispositivos eletrônicos;
• A dopagem do Sílicio com impurezas selecionadas, de
maneira precisa e controlada aumenta substancialmente a concentração de portadores de forma quase que
SILÍCIO DOPADO DO TIPO N
• Dopagem com um elemento de 5 elétrons na camada de valência -Impureza doadora; • ND = concentração de átomos doadores 𝑁𝐷 ≫ 𝑛𝑖 𝑛𝑛 ≅ 𝑁𝐷 𝑛2 = 𝑝 ∙ 𝑁 Ex.: Fósforo (P)SILÍCIO DOPADO DO TIPO P
• Dopagem com um elemento de 3 elétrons na camada de valência -Impureza aceitadora; • NA = concentração de átomos aceitadores 𝑁𝐴 ≫ 𝑛𝑖 𝑝𝑝 ≅ 𝑁𝐴 𝑛𝑖2 = 𝑁𝐴 ∙ 𝑛𝑝 Ex.: Boro (B)PORTADORES MAJORITÁRIOS E MINORITÁRIOS
• No material do tipo N, a concentração de elétrons livres é muito maior que a de lacunas, logo os elétrons são os
portadores majoritários e as lacunas os portadores minoritários.
• Por analogia, no material do tipo P, os elétrons são os portadores minoritários e as lacunas os portadores
EXEMPLO 1
Considere o sílicio do tipo N com concentração de dopagem de 1017 / cm3. Ache a concentração de elétrons e lacunas à temperatura ambiente (T = 300 K).
• Velocidades dos portadores:
• Mobilidade intrínseca:
CORRENTE DE DERIVA (DRIFT)
V -+ + + + -- -E -+ Lacuna Elétron livre 𝜈𝑝 = 𝜇𝑝 ∙ 𝐸 𝑐𝑚 𝑠 𝜈𝑛 = −𝜇𝑛 ∙ 𝐸 𝑐𝑚 𝑠 𝜇𝑝 = 480 𝑐𝑚2 𝑉∙𝑠 𝜇 = 1350 𝑐𝑚2
CORRENTE DE DERIVA (DRIFT)
𝐽 = 𝐽𝑝 + 𝐽𝑛 = 𝑞 ∙ 𝑝 ∙ 𝜇𝑝 + 𝑛 ∙ 𝜇𝑛 ∙ 𝐸 = 𝜎 ∙ 𝐸 = 𝐸 𝜌 𝐴 𝑐𝑚2 𝜎 = 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 𝑞 ∙ 𝑝 ∙ 𝜇𝑝 + 𝑛 ∙ 𝜇𝑛 𝑆 𝑐𝑚 𝜌 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 1 𝜎 = 1 𝑞 ∙ 𝑝 ∙ 𝜇𝑝 + 𝑛 ∙ 𝜇𝑛 Ω ∙ 𝑐𝑚EXEMPLO 2
Encontre a resistividade de: (a) Silício intrínseco;
(b) Silício do tipo p com NA = 1016/cm3;
Considere temperatura ambiente de 300 K e que a mobilidade dos portadores para o material dopado seja:
𝜇𝑝 = 400 𝑐𝑚2
𝑉∙𝑠 𝜇𝑛 = 1110
𝑐𝑚2 𝑉∙𝑠
CORRENTE DE DIFUSÃO
• Correntes de difusão ocorrem quando a densidade de portadores numa peça de semicondutor é não uniforme;
• Os portadores irão difundir da região de maior concentração para a região de menor concentração;
• Essa difusão de portadores dá origem a um fluxo líquido de carga, ou a uma
CORRENTE DE DIFUSÃO
• A amplitude da corrente de difusão em qualquer ponto é proporcional a inclinação do perfil de concentração, ou
gradiente de concentração, naquele ponto.
𝐽𝑝 = −𝑞 ∙ 𝐷𝑝 ∙ 𝑑𝑝 𝑥 𝑑𝑥 𝐴 𝑐𝑚2 𝐽𝑛 = 𝑞 ∙ 𝐷𝑛 ∙ 𝑑𝑛 𝑥 𝑑𝑥 𝐴 𝑐𝑚2 𝐷𝑝 = 12 𝑐𝑚 2 𝑠 𝐷𝑛 = 35 𝑐𝑚2 𝑠 Constantes de difusão (material intrínseco)
EXEMPLO 3
Considere uma barra de Silício com um perfil de concentração descrito por:
(a) Encontre a densidade de corrente no ponto x = 0;
(b) Encontre a corrente nesse ponto para uma seção de área 100 µm2. Considere: 𝑝 𝑥 = 𝑝0 ∙ 𝑒− 𝑥 𝐿𝑝 𝑝0 = 1016 𝑐𝑚−3 𝐿𝑝 = 1 𝜇𝑚
RELAÇÃO ENTRE MOBILIDADE E CONSTANTE
DE DIFUSÃO
𝐷𝑝 𝜇𝑝 = Dn 𝜇𝑛 = VT = Tensão Térmica [V] 𝑉𝑇 = 𝑘 ∙ 𝑇 𝑞 = 25,9 𝑚𝑉 (@ 300𝐾) Relação de Einstein:JUNÇÃO pn
• Formada pela criação de duas regiões com dopagens diferentes (tipo P e tipo N) num único cristal de Si;
• A junção pn implementa o diodo e as células fotovoltaicas; • Tem papel dominante no TBJ;
• Seu entendimento é também importante no estudo dos MOSFETs.
OPERAÇÃO EM CIRCUITO ABERTO
• Corrente de difusão ID: concentração de lacunas é maior na
região do tipo p do que na do tipo n, o inverso para elétrons livres;
OPERAÇÃO EM CIRCUITO ABERTO
• Região de depleção: Lacunas e elétrons livres que difundem através da junção recombinam rapidamente do outro lado formando regiões não-neutras próximo a junção.
OPERAÇÃO EM CIRCUITO ABERTO
• As cargas em ambos os lados da região de depleção estabelecem um campo elétrico (E) através da região;
• Como resultado, uma tensão de
barreira (V0) aparece através da
região de depleção se opondo ao processo de difusão de portadores majoritários.
OPERAÇÃO EM CIRCUITO ABERTO
• Corrente de deriva IS: portadores minoritários movem-se
dentro do material e atingem a região de depleção. O campo elétrico (E) varre-os através dessa região para o outro lado da junção.
• Em circuito aberto:
• Equilíbrio mantido por V0.
E
TENSÃO INTERNA DE JUNÇÃO
• Tipicamente, para Si em temperatura ambiente, entre 0,6 V até 0,9 V.
• OBS.: Essa tensão não pode ser medida nos terminais da junção, pois é contrabalanceada pela tensão de contato
entre metal e semicondutor nas extremidades. Princípio de conservação da energia.
𝑉0 = 𝑉𝑇 ∙ 𝑙𝑛 𝑁𝐴 ∙ 𝑁𝐷 𝑛𝑖2
REGIÃO DE DEPLEÇÃO: LARGURA E CARGA
REGIÃO DE DEPLEÇÃO: LARGURA
𝑄+ = 𝑄− → q ∙ 𝐴 ∙ 𝑥𝑛 ∙ 𝑁𝐷 = 𝑞 ∙ 𝐴 ∙ 𝑥𝑝 ∙ 𝑁𝐴 → 𝑥𝑛 𝑥𝑝 = 𝑁𝐴 𝑁𝐷 𝑊 = 𝑥𝑛 + 𝑥𝑝 = 2 ∙ 𝜀𝑠 𝑞 ∙ 1 𝑁𝐴 + 1 𝑁𝐷 ∙ 𝑉0 𝜀𝑠 = 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑆𝑖 = 11,7 ∙ 𝜀0 𝜀 = 8,85 ∙ 10−14 𝐹 𝑐𝑚ΤREGIÃO DE DEPLEÇÃO: LARGURA
𝑥𝑛 𝑥𝑝 = 𝑁𝐴 𝑁𝐷 𝑊 = 𝑥𝑛 + 𝑥𝑝 𝑥𝑛 = 𝑊 ∙ 𝑁𝐴 𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 𝑐𝑚 𝑥𝑝 = 𝑊 ∙ 𝑁𝐷 𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 𝑐𝑚REGIÃO DE DEPLEÇÃO: CARGA ARMAZENADA
𝑄𝐽 = 𝑄+ = 𝑄− = 𝐴 ∙ 𝑞 ∙ 𝑁𝐴 ∙ 𝑁𝐷 𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 ∙ 𝑊 [𝐶] ↓ 𝑄𝐽 = 𝐴 ∙ 2 ∙ 𝜀𝑠 ∙ 𝑞 ∙ 𝑁𝐴 ∙ 𝑁𝐷 𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 ∙ 𝑉0 [𝐶]A JUNÇÃO pn COM TENSÃO APLICADA
• Polarização direta: tensão aplicada no lado p é mais positiva que no lado n;
• Polarização reversa: tensão aplicada no lado n é mais positiva que no lado p;
• A junção pn apresenta propriedades de condução
POLARIZAÇÃO REVERSA
• Tensão efetiva de barreira = V0 + VR; • A corrente de difusão (ID) é
drasticamente reduzida; • A corrente resultante é
praticamente a corrente de deriva (IS), a qual é pequena (portadores minoritários) e extremamente
POLARIZAÇÃO REVERSA
𝑊 = 2 ∙ 𝜀𝑠 𝑞 ∙ 1 𝑁𝐴 + 1 𝑁𝐷 ∙ 𝑉0 + 𝑉𝑅 𝑄𝐽 = 𝐴 ∙ 2 ∙ 𝜀𝑠 ∙ 𝑞 ∙ 𝑁𝐴 ∙ 𝑁𝐷 𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 ∙ 𝑉0 + 𝑉𝑅 𝐼𝐷 ≅ 0POLARIZAÇÃO DIRETA
• Tensão efetiva de barreira = V0 - VF; • Redução da carga e da largura da
região de depleção;
• A corrente de difusão (ID) aumenta substancialmente ficando algumas ordens de magnitude maior que IS;
𝐼 = 𝐼𝐷 − 𝐼𝑆
RELAÇÃO CORRENTE-TENSÃO
• Considere a junção pn polarizada diretamente com uma tensão V;
• A concentração de lacunas na região n (pn) aumentará
consideravelmente no limite da junção (xn), em relação a concentração no equilíbrio pn0; 𝑝𝑛 𝑥𝑛 = 𝑝𝑛0 ∙ 𝑒 𝑉 𝑉𝑇 𝐸𝑥𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑝𝑛0𝑒𝑉/𝑉𝑇 − 𝑝 𝑛0 = 𝑝𝑛0 ∙ 𝑒 𝑉 𝑉𝑇 − 1
RELAÇÃO CORRENTE-TENSÃO
• A medida de as lacunas injetadas difundem dentro do
material do tipo n, algumas irão recombinar com os elétrons (portadores majoritários) e desaparecer;
• A concentração excedente, portanto, decai exponencialmente com a distância:
• onde: LP = comprimento de difusão das lacunas 𝑝𝑛 𝑥 = 𝑝𝑛0 + 𝑝𝑛0 ∙ 𝑒
𝑉
𝑉𝑇 − 1 ∙ 𝑒−
𝑥−𝑥𝑛 𝐿𝑝
RELAÇÃO CORRENTE-TENSÃO
• A densidade de corrente de difusão pode ser calculada por: 𝐽𝑝 𝑥 = −𝑞 ∙ 𝐷𝑝 ∙ 𝑑𝑝𝑛 𝑥 𝑑𝑥 = 𝑞 ∙ 𝐷𝑝 𝐿𝑝 ∙ 𝑝𝑛0 ∙ 𝑒 𝑉 𝑉𝑇 − 1 ∙ 𝑒− 𝑥−𝑥𝑛 /𝐿𝑝 𝐽𝑝 𝑥𝑛 = 𝑞 ∙ 𝐷𝑝 𝐿𝑝 ∙ 𝑝𝑛0 ∙ 𝑒 𝑉 𝑉𝑇 − 1
RELAÇÃO CORRENTE-TENSÃO
• O processo de recombinação das lacunas com os portadores majoritários na região n implica que elétrons deverão ser
repostos por uma corrente que injete elétrons na região n por um circuito externo;
• A medida que Jp(x) diminui, a corrente de elétrons externos aumenta da mesma quantidade, mantendo constante a
RELAÇÃO CORRENTE-TENSÃO
• Um desenvolvimento paralelo para a região n: 𝐽𝑛 𝑥 = 𝑞 ∙ 𝐷𝑛 ∙ 𝑑𝑛𝑝 𝑥 𝑑𝑥 = 𝑞 ∙ 𝐷𝑛 𝐿𝑛 ∙ 𝑛𝑝0 ∙ 𝑒 𝑉 𝑉𝑇 − 1 ∙ 𝑒 𝑥+𝑥𝑝 /𝐿𝑛 𝐽𝑛 −𝑥𝑝 = 𝑞 ∙ 𝐷𝑛 𝐿𝑛 ∙ 𝑛𝑝0 ∙ 𝑒 𝑉 𝑉𝑇 − 1
RELAÇÃO CORRENTE-TENSÃO
• A corrente total na junção será dada por: 𝐼 = 𝐴 ∙ 𝐽𝑝 𝑥𝑛 + 𝐽𝑛 𝑥𝑝 = 𝐴 ∙ 𝑞 ∙ 𝐷𝑝 𝐿𝑝 ∙ 𝑝𝑛0 + 𝐷𝑛 𝐿𝑛 ∙ 𝑛𝑝0 ∙ 𝑒 𝑉 𝑉𝑇 − 1
RELAÇÃO CORRENTE-TENSÃO
𝐼 = 𝐴 ∙ 𝑞 ∙ 𝑛𝑖2 𝐷𝑝 𝐿𝑝 ∙ 𝑁𝐷 + 𝐷𝑛 𝐿𝑛 ∙ 𝑁𝐴 ∙ 𝑒 𝑉 𝑉𝑇 − 1 [𝐴] 𝑝𝑛0 = 𝑛𝑖 2 𝑁𝐷 𝑛𝑝0 = 𝑛𝑖2 𝑁𝐴RELAÇÃO CORRENTE-TENSÃO
𝐼𝑆 = 𝐴 ∙ 𝑞 ∙ 𝑛𝑖2 𝐷𝑝 𝐿𝑝 ∙ 𝑁𝐷 + 𝐷𝑛 𝐿𝑛 ∙ 𝑁𝐴 [𝐴] 𝐼 = 𝐼𝑆 ∙ 𝑒 𝑉 𝑉𝑇 − 1 [𝐴]RELAÇÃO CORRENTE-TENSÃO
𝐼 = 𝐼𝑆 ∙ 𝑒 𝑉
RUPTURA REVERSA
• A medida que a tensão reversa cresce, ela pode
atingir um valor –VZ para o qual a corrente cresce
abruptamente;
• Essa corrente deve ser limitada pelo circuito
externo para evitar dano ao dispositivo;
MECANISMOS DE RUPTURA REVERSA
• Efeito Zener:
• ocorre quando o campo elétrico na camada de depleção
aumenta ao ponto de quebrar ligações covalentes gerando pares elétrons livres / lacunas.
• Os elétrons vão em direção a região n e as lacunas em direção a região p, gerando uma corrente reversa na junção;
• Uma vez iniciado esse efeito, um grande número de portadores pode ser gerado sem uma variação substancial da tensão na
MECANISMOS DE RUPTURA REVERSA
• Efeito Avalanche:
• Ocorre quando os portadores minoritários, que atravessam a região de depleção sob a influência do campo elétrico, ganham energia cinética suficiente para serem capazes de quebrar as ligações covalentes dos átomos com os quais colidirem;
• Os portadores liberados, podem ter suficiente energia para também quebrar ligações covalentes em outras colisões
ionizantes;
• Esse processo se mantém repetindo, num efeito cascata ou
RUPTURA REVERSA
• VZ < 5V Usualmente
ocorre a ruptura por efeito zener;
• VZ > 7 V Usualmente ocorre ruptura por efeito avalanche;
• 5 V < VZ < 7 V Ou um dos dois efeitos ou uma
EFEITOS CAPACITIVOS NUMA JUNÇÃO pn
• Existem dois mecanismos de armazenamento de carga numa junção pn;
• O primeiro é associado a carga armazenada na região de
depleção e pode ser facilmente visto na polarização reversa; • O segundo é associado a carga armazenada pelos
portadores minoritários nos materiais do tipo n e do tipo p, como consequência do perfil de concentração estabelecido pela injeção de portadores e pode ser visto na polarização direta;
CAPACITÂNCIA DE JUNÇÃO OU DEPLEÇÃO
• Já vimos que, em polarização reversa:
Relação não-linear entre QJ e VR
𝑄𝐽 = 𝛼 ∙ 𝑉0 + 𝑉𝑅
𝛼 = 𝐴 ∙ 2 ∙ 𝜀𝑠 ∙ 𝑞 ∙ 𝑁𝐴 ∙ 𝑁𝐷 𝑁𝐴 + 𝑁𝐷
CAPACITÂNCIA DE JUNÇÃO OU DEPLEÇÃO
• Contudo, podemos linearizar em torno de um ponto de operação Q; 𝐶𝐽 = 𝑑𝑄𝐽ቤ 𝑑𝑉𝑅 𝑉 𝑅=𝑉𝑄CAPACITÂNCIA DE JUNÇÃO OU DEPLEÇÃO
𝐶𝐽 = 𝑑𝑄𝐽ቤ 𝑑𝑉𝑅 𝑉 𝑅=𝑉𝑄 = 𝛼 2 ∙ 𝑉0 + 𝑉𝑅 𝑉𝑅 = 0 → 𝐶𝐽0 = 𝛼 2 ∙ 𝑉0 𝐶𝐽 = 𝐶𝐽0 1 + 𝑉𝑉𝑅 0CAPACITÂNCIA DE DIFUSÃO
• Considere agora a junção polarizada diretamente;
• Em regime permanente, a distribuição de portadores minoritários está estabelecida em ambas as regiões;
• Portanto, uma certa quantidade de portadores minoritários excedentes está armazenada em cada região (fora da zona de depleção);
• Se a tensão terminal externa é alterada, essa carga terá que mudar antes que um novo regime permanente seja
CAPACITÂNCIA DE DIFUSÃO
𝑄𝑃 = 𝐴 ∙ 𝑞 ∙ 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑠𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒𝑎𝑑𝑎 = 𝐴 ∙ 𝑞 ∙ 𝑝𝑛 𝑥𝑛 − 𝑝𝑛0 ∙ 𝐿𝑃 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑠𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒𝑎𝑑𝑎 = න 𝑥𝑛 ∞ 𝑝𝑛0 ∙ 𝑒 𝑉 𝑉𝑇 − 1 ∙ 𝑒− 𝑥−𝑥𝑛 𝐿𝑃 ∙ 𝑑𝑥CAPACITÂNCIA DE DIFUSÃO
𝑄𝑃 = 𝐴 ∙ 𝑞 ∙ 𝑝𝑛 𝑥𝑛 − 𝑝𝑛0 ∙ 𝐿𝑃 𝑝𝑛 𝑥𝑛 = 𝑝𝑛0 ∙ 𝑒 𝑉 𝑉𝑇 𝐽𝑝 𝑥𝑛 = 𝑞 ∙ 𝐷𝑝 𝐿𝑝 ∙ 𝑝𝑛0 ∙ 𝑒 𝑉 𝑉𝑇 − 1 𝑄𝑃 = 𝐿𝑃 2 𝐷𝑃 ∙ 𝐼𝑃 = 𝜏𝑃 ∙ 𝐼𝑃CAPACITÂNCIA DE DIFUSÃO
Tempo de vida de portadores minoritários (lacunas)
É o tempo médio que uma lacuna injetada na região n leva para recombinar com um elétron majoritário.
𝜏𝑃 = 𝐿𝑃 2
CAPACITÂNCIA DE DIFUSÃO
• De forma similar, para o elétron:
• O total de carga devido aos portadores minoritários: onde: é o tempo médio de trânsito • Para NA >> ND, temos: 𝑄𝑛 = 𝜏𝑛 ∙ 𝐼𝑛 𝑄 = 𝜏𝑇 ∙ 𝐼 = 𝜏𝑝 ∙ 𝐼𝑝 + 𝜏𝑛 ∙ 𝐼𝑛 𝜏𝑇 𝐼𝑝 ≫ 𝐼𝑛 → 𝐼 ≅ 𝐼𝑝 𝑄𝑝 ≫ 𝑄𝑛 → 𝑄 ≅ 𝑄𝑝 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜: 𝜏 ≅ 𝜏 𝐼 = 𝐼𝑝 + 𝐼𝑛
CAPACITÂNCIA DE DIFUSÃO
• Finalmente, para pequenas variações em torno de um ponto quiescente: • Lembre-se que: 𝐶𝑑 = 𝑑𝑄 𝑑𝑉 = 𝜏𝑇 𝑉𝑇 ∙ 𝐼 [𝐹] 𝐼 = 𝐽 ∙ 𝐴