Prof. Seabra
PSI/EPUSP 362
Aula 15
O Diodo e a junção pn na condição de
polarização direta
362
Prof. Seabra PSI/EPUSP
11ª
05/04 Circuito retificador em ponte. Circuito retificador de meia onda com o capacitor de filtro. Sedra, Cap. 3 p. 109-111 12ª
08/04 Retificador de onda completa com capacitor de filtro, superdiodo. Exercícios (exemplo 3.9). Sedra, Cap. 3 p. 112-115 13ª
12/04 Circuitos limitadores, circuitos grampeadores, dobrador de tensão, exercícios: 3.27, 3.28. Sedra, Cap. 3 p. 115-118 14ª
15/04
Conceitos básicos de dispositivos semicondutores: silício dopado, mecanismos de condução (difusão e deriva), exercícios.
Aula avulsa + Sedra, Cap. 3 p. 117-121 15ª
26/04 potencial interno da junção, junção pn polarizada, exercícios. Modelos de cargas, junção pn na condição de circuito aberto, Aula avulsa + Sedra, Cap. 3 p. 121-126 16ª
29/04 Distribuição de portadores minoritários na junção pn diretamente polarizada. Dedução elementar da equação de corrente na junção pn, exercícios. Aula avulsa + Sedra, Cap. 3 p. 127-128 17ª 03/05
Capacitância de difusão, largura da região de depleção da junção pn polarizada, capacitância de depleção, a junção pn na região de
ruptura (efeito zener e efeito avalanche), exercícios.
Sedra, Cap. 3 p. 124-125 e p. 128-129 18ª 06/05 Aula de Exercícios 2a. Semana de Provas (09/05 a 13/05/2016)
Data: 11/05/2016 (quarta feira) – Horário: 13:10h às 15:10h
363
PSI 2223 – Introdução à Eletrônica
Prof. Seabra
PSI/EPUSP 364
15ª Aula:
A junção pn Diretamente polarizada
Ao final desta aula você deverá estar apto a:
-Olhar a Lei de Ohm do lado de dentro do material, explicando os
conceitos de condutividade e mobilidade
-Explicar, através de conceitos e equações, o que é corrente de
deriva e o que é corrente de difusão
-Explicar o que é silício intrínseco e silício dopado (tipo n e tipo p)
-Calcular a concentração de portadores em silício tipo n e tipo p
-Explicar o que ocorre quando se junta um silício tipo n e um p,
criando um diodo semicondutor
-Calcular a barreira de potencial interna e a largura da região de
depleção em um diodo semicondutor
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PSI/EPUSP 365
Microeletrônica – Quinta Edição Sedra/Smith
365
JUNÇÃO PN atingiu o equilíbrio térmico
(Modelo de cargas)
dif dif difD
p
n
T
I
I
I
I
=
=
+
der der derS
p
n
T
I
I
I
I
=
=
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-+
+
+
+
+
+
+
-+
-+
-+
-+
-+
-Si Tipo P
Si Tipo N
E
i
:
campo elétrico interno de equilíbrio
S
D
T
T
I
I
ou
I
I
der dif=
=
Se nenhuma polarização externa for aplicada, as correntes de difusão e de deriva tendem a
se anular mutuamente, de forma que em equilíbrio:
I
T= I
T dif+ I
T der= 0
( ou
I
D= I
S)
Região de Depleção
Prof. Seabra PSI/EPUSP 366
-+
+
+
+
+
+
Microeletrônica – Quinta Edição Sedra/Smith
366
Densidade de Cargas (ρ)
x x -Xp Xn q.ND -q.NA VOPotencial Elétrico (V)
+ -V
0= V
Tln
N
AN
Dn
i2
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
+
-+
-+
-+
-+
-+
-Si Tipo P
Si Tipo N
E
i
qx
p
N
A
A
= qx
n
N
D
A
D A p nN
N
x
x =
W
dep= x
n+ x
p=
2
ε
sq
1
N
A+
1
N
D
V
0Região de Depleção
Densidade de Cargas (ρ)
x x -Xp Xn q.ND -q.NA VOPotencial Elétrico (V)
+ -V
0= V
Tln
N
AN
Dn
i2
Prof. Seabra PSI/EPUSP 367Microeletrônica – Quinta Edição Sedra/Smith
367
JUNÇÃO PN polarizada reversamente
(Modelo de cargas)
dif dif difD
p
n
T
I
I
I
I
=
=
+
der der derS
p
n
T
I
I
I
I
=
=
+
Se for aplicada uma polarização negativa do anodo com relação ao catodo (polarização reversa),
aumentará o campo elétrico resultante na junção (E
r= E
i+ E
ext), o que dificultará a passagem dos
portadores majoritários por difusão exponencialmente. Neste caso aumentam-se as componentes de
deriva (minoritários) devido ao aumento do campo elétrico na região de depleção, resultando em
I
T= I
T dif+ I
T der< 0
(ou
I
D< I
S)
--
+
-
+
-
+
+
-+
-+
-Si Tipo P
Si Tipo N
E
r
>E
i
+
V<0
I
TRegião de Depleção
-+
+
+
+
+
+
-+
+
+
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PSI/EPUSP 368
Microeletrônica – Quinta Edição Sedra/Smith
JUNÇÃO PN polarizada diretamente
(Modelo de cargas)
dif dif difD
p
n
T
I
I
I
I
=
=
+
der der derS
p
n
T
I
I
I
I
=
=
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-Si Tipo P
Si Tipo N
E
r
<E
i
+
V>0
I
TSe for aplicada uma polarização positiva do anodo com relação ao catodo (polarização direta),
diminuirá o campo elétrico resultante na junção (E
r= E
i– E
ext), o que facilitará a passagem dos
portadores majoritários por difusão exponencialmente. Diminuem-se as componentes de deriva
(minoritários) pela redução do campo elétrico, resultando em:
I
T= I
T dif+ I
T der> 0
(ou
I
D> I
S)
Região de Depleção
-+
+
+
Prof. Seabra PSI/EPUSP 369Diodo Semicondutor (Junção PN)
Microeletrônica – Quinta Edição Sedra/Smith
369 V I D Polarização reversa Polarização direta ap
Tipo P
Tipo N
)
1
(
/
−
=
V
nV
TS
e
I
I
P
N
Anodo
Catodo
Anodo
Catodo
V
I
Foto de um diodo construído na EPUSP
Deriva é predominante
Difusão é predominante
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Microeletrônica – Quinta Edição Sedra/Smith
370
Distribuição de Portadores Minoritários na Junção PN Diretamente Polarizada
N
A> N
DSi Tipo P
Si Tipo N
V>0
+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -Prof. Seabra PSI/EPUSP 371O Diodo Polarizado Diretamente
valor de pn(x) em xn(um número)
p
n
(x
n
), da física de semicondutores, é igual a:
T
V
V
n
n
n
x
p
e
p
(
)
/
0
=
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O Diodo Polarizado Diretamente
função pn(x)
p
n
(x)?
●
é uma queda exponencial
com constante
τ
●
valor inicial = p
n(x
n)
●
valor final = p
n0 p p pD
L
=
τ
τ
/ ) (]
[
)
(
x xn nFINAL nINICIAL nFINAL nx
p
p
p
e
p
=
+
−
− − p n L x x n n n n nx
p
p
x
p
e
p
(
)
=
0+
[
(
)
−
0]
−( − )/ comprimento de difusão Tempo de vida (médio) dos portadores minoritários (no caso lacunas)De Cálculo:
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O Diodo Polarizado Diretamente
{
}
p n T p n L x x V V n p p L x x n n n n p n p pe
e
p
L
D
q
x
e
p
x
p
p
D
x
x
p
D
J
/ ) ( / / ) ()
(
]
)
(
[
)
(
− − − −−
=
∂
−
+
∂
=
∂
∂
=
1
0 0 0J
p
= q
D
p
L
p
p
n0
(e
V/V
T− 1)
Em x = x
n
válido do lado n, fora da
região de depleção (x ≥ x
n)
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O Diodo Polarizado Diretamente
J
p= q
D
pL
pp
n0(e
V/VT− 1)
)
(
/1
0−
=
V VT p n n nL
n
e
D
q
J
...Em x = x
n
Em x = -x
p
J
TOTAL= J
P+ J
N(em qualquer ponto)
Fora da região de depleção o campo
elétrico é praticamente nulo, portanto
tanto J
Pcomo J
Nsão devidos apenas
à parcela de difusão
Em x = x
npodemos somar o valor J
pe J
nque determinamos pois J
ncalculado em –x
pé o mesmo em x
npois na região de
depleção não “perdemos” cargas
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