From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)

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diagrams can only be used by instructors if the 3^rd Edition has been adopted for his/her course. Permission is given to individuals who have

purchased a copy of the third edition with CD-ROM

Electronic Materials and

Devices to use these slides in seminar, symposium and conference presentations provided that the book title, author and © McGraw-Hill are displayed under each diagram.

Silicon is the most important semiconductor in today’s electronics

|SOURCE: Courtesy of IBM

200 mm and 300 mm Si wafers.

|SOURCE: Courtesy of MEMC, Electronic Materials, Inc.

GaAs ingots and wafers.

GaAs is used in high speed electronic devices, and optoelectronics.

|SOURCE: Courtesy of Sumitomo Electric Industries, Ltd.

Fig 5.1

(a) A simplified two-dimensional illustration of a Si atom with four hybrid orbitals ψ_hyb. Each orbital has one electron.

(b) A simplified two-dimensional view of a region of the Si crystal showing covalent bonds.

(c) The energy band diagram at absolute zero of temperature.

Fig 5.2

A two-dimensional pictorial view of the Si crystal showing covalent bonds as two lines where each line is a valence electron.

Fig 5.3

(a) A photon with an energy greater than E_g can excite an electron from the VB to the CB.

(b) When a photon breaks a Si-Si bond, a free electron and a hole in the Si-Si bond is created.

Fig 5.4

Thermal vibrations of atoms can break bonds and thereby create electron-hole pairs.

Fig 5.5

A pictorial illustration of a hole in the valence band wandering around the crystal due to the tunneling of electrons from neighboring bonds.

Electron and Hole Drift Velocities

v

= drift velocity of the electrons, µ

= electron drift mobility, E

= applied electric field, v

= drift velocity of the holes, µ

= hole drift mobility

v _de = µ _e E _x and v _dh = µ _{h E x}

Conductivity of a Semiconductor

σ = conductivity, e = electronic charge, n = electron concentration in the CB, µ

= electron drift mobility, p = hole concentration in the VB, µ

= hole drift mobility

σ = en µ _e + ep µ _h

Mass Action Law

 

 



 −

=

= kT

N E N

n

np _i ² _{c v} exp ^g

The np product is a constant, n

, that depends on the material properties N

, N

, E

, and the temperature. If somehow n is increased (e.g. by doping), p must decrease to keep np constant.

Mass action law applies in thermal equilibrium

and

in the dark (no illumination)

n_i = intrinsic concentration

Fig 5.8

Energy band diagrams for (a) Intrinsic,

(b) n-type, and

(d) p-type semiconductors.

In all cases, np = n_i²

Fig 5.9

Arsenic-doped Si crystal.

The four valence electrons of As allow it to bond just like Si, but the fifth electron is left orbiting the As site. The energy required to release the free fifth electron into the CB is very small.

Fig 5.10

Energy band diagram for an n-type Si doped with 1 ppm As. There are donor energy levels just below E_c around As⁺ sites.

n-Type Conductivity

σ = electrical conductivity e = electronic charge

N

= donor atom concentration in the crystal

µ

= electron drift mobility, n

= intrinsic concentration, µ

= hole drift mobility

e d

h d

i e

d eN

N e n

eN µ µ µ

σ  ≈





  + 

=

2

Fig 5.11

Boron-doped Si crystal.

B has only three valence electrons. When it substitutes for a Si atom, one of its bonds has an electron missing and therefore a hole, as shown in (a). The hole orbits around the B^- site by the tunneling of electrons from neighboring bonds, as shown in (b). Eventually, thermally vibrating Si atoms provide enough energy to free the hole from the B^- site into the VB, as shown.

Fig 5.12

Energy band diagram for a p-type Si doped with 1 ppm B.

There are acceptor energy levels E_a just above E_v around B^- sites. These acceptor levels accept electrons from the VB and therefore create holes in the VB.

Fig 5.14

(a) Below T_s, the electron concentration is controlled by the ionization of the donors.

(b) Between T_s and T_i, the electron concentration is equal to the concentration of donors since They would all have ionized.

(c) At high temperatures, thermally generated electrons from the VB exceed the number of Electrons from ionized donors and the semiconductor behaves as if intrinsic.

Fig 5.15

The temperature dependence of the electron concentration in an n-type semiconductor.

Fig 5.16

The temperature dependence of the intrinsic concentration

Fig 5.17

Scattering of electrons by an ionized impurity.

Fig 5.19

The variation of the drift mobility with dopant concentration in Si for electrons and holes at 300 K.

Fig 5.20

Schematic illustration of the temperature dependence of electrical conductivity for a doped (n-type) semiconductor.

ENGA47 Tecnologia dos Materiais…

Aplicações de Semicondutores

Junção PN – Diodo

Transistor Bipolar – PNP e NPN

V. F. Rodríguez-Esquerre

1

Junção PN

Um díodo rectificador é constituído por uma junção PN de material 

semicondutor (silício ou germânio) e por dois terminais, o Ânodo (A) e o  Cátodo (K).

Símbolo:

Junção PN

http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_2/6.html

Junção PN

Junção PN

A junção de um material semicondutor do tipo P (com excesso de lacunas)  com um material semicondutor do tipo N (com excesso de electrões livres)  origina uma junção PN. Na zona da junção, os electrões livres do

origina uma junção PN. Na zona da junção, os electrões livres do  semicondutor N recombinam‐se com as lacunas do semicondutor P 

formando uma zona sem portadores de carga eléctrica que se designa por  zona neutra ou zona de deplecção.p ç

Zona neutra ou  zona de 

Electrões livres Lacunas

deplecção

Junção PN

Principio de funcionamento p

Quando polarizado directamente um díodo rectificador conduz porque na  junção PN a zona neutra ou zona de deplecção (zona sem portadores de  carga eléctrica) estreita a resistência eléctrica diminui e a corrente eléctrica carga eléctrica) estreita a resistência eléctrica diminui e a corrente eléctrica  passa.

Lacunas

Electrões livres Lacunas

Electrões livres

ZZona neutra ou  zona de 

deplecção  estreita

Junção PN

Principio de funcionamento

Quando polarizado inversamente um díodo rectificador não conduz porque 

j ã PN t d d l ã ( t d d

p

na junção PN a zona neutra ou zona de deplecção (zona sem portadores de  carga eléctrica) alarga a resistência eléctrica aumenta significativamente e a  corrente eléctrica não passa.

Electrões livres Lacunas

Zona neutra ou zona  de deplecção alarga

Junção PN

Principio de funcionamento p

Junção PN

Queda de tensão interna

Quando o díodo está polarizado directamente a corrente eléctrica ao passar  pela zona neutra ou zona de deplecção que apresenta uma certa resistência,  origina uma queda de tensão (U=RxI).

Nos díodos de silícioessa queda de tensão interna pode variar entre 0,6Volt  e 1Volt.

Nos díodos de germânio essa queda de tensão interna pode variar entre  0,2Volt e 0,4Volt.

Junção PN

Junção PN

Curva Característica

I_F Tensão

directa

U

Corrente

I

Corrente

directa

I

Tensão

U

Tensão

inversa

U

Corrente

i

I

F

inversa ^R

I_R

Junção PN

Curva Característica

Pode‐se observar na curva 

característica do 1º quadrante(díodo 

l i d di t t ) à did

polarizado directamente) que à medida  que se aumenta a tensão directa (U_F) a  corrente directa (I_F) também aumenta.

N d 3º d t (dí d

Na curva do 3º quadrante (díodo  polarizado inversamente) podemos  observar que para uma dada faixa da  tensão inversa (U( _RR) a corrente inversa ) (I_R) é desprezível (corrente de fuga). A  tensão inversa não pode atingir a  tensão de ruptura pois isso acarreta 

dí d d i

que o díodo passe a conduzir em  sentido contrário (rompeu a junção  PN).

Junção PN

Reta de carga g

Consideremos o circuito:

+ V_F _ I_F

V_CC

+ +

R_C

‐V_CC + V_F + R_C.I_F = 0 V_F + R_C.I_F = V_CC

_ _

E t ã l i V I

Encontramos uma equação que relaciona V_F e I_F:

V_CC = V_F + R_C.I_F

Esta equação permite determinar os dois pontos da reta de carga que Esta equação permite determinar os dois pontos da reta de carga, que  sobreposta à curva característica do díodo, determinará o ponto de  funcionamento (Q) do díodo.

Junção PN

Reta de carga

Este é um método gráfico que permite que encontremos o ponto de funcionamento  do díodo É de notar que a recta de carga depende do circuito (V e R ) em que o do díodo. É de notar que a recta de carga depende do circuito (V_CCe R_C) em que o  díodo está inserido, enquanto que a curva característica é fornecida pelo fabricante.

V_CC = V_F + R_C.I_F

Tensão de corte I_F=0 ⇒V_CC=V_F

Corrente de  saturação

Corrente de saturação V_F=0 ⇒I_F=V_CC/ R_C

Exemplo da determinação do ponto de  funcionamento (Q) de um díodo

Este é um método gráfico que permite que encontremos o ponto de funcionamento 

d dí d É d d d d d ( )

do díodo. É de notar que a recta de carga depende do circuito (V_CCe R_C) em que o  díodo está inserido, enquanto que a curva característica é fornecida pelo fabricante.

I_F

V_CC = V_F + R_C.I_F

Tensão de corte

V_CC=3V R_C=750Ω

I_F=0 ⇒V_CC=V_F ⇒V_F=3 V Corrente de saturação

A V_F=0 ⇒I_F=V_CC/ R_C ⇒I_F=3 / 750

I_F= 4 mA

P di õ d i i (V 3V l

5 mA

Para as condições do circuito (V_CC=3Volt e  R_C=750Ω) e a curva característica representada,  a corrente directa no díodo será de I_FQ≈2,5mA e  a tensão directa será de V_FQ=1,1V.

1 2 3 4 2,5 Q

FQ ,

1 2 3

1,1

Transistor Bipolar (BJT)

O termo Transístorresulta da aglutinação dos termos ingleses TRANsfer +  reSISTOR (resistência  de transferência).

O termo bipolar refere‐se ao facto dos portadores electrões e lacunas participarem no processo do  fluxo de corrente.

Transistor Bipolar (BJT)

Um transístor bipolar (com polaridade NPN ou PNP) é constituído por duas junções PN  (junção base emissor e junção base colector) de material semicondutor (silício ou

(junção base‐emissor e junção base‐colector) de material semicondutor (silício ou  germânio) e por três terminais designados por Emissor (E), Base (B) e Colector (C).

Altamente  Menos 

Altamente

Camada Menos 

d d

Camada 

dopado dopado que o 

Emissor e  mais dopado  que a Base

Altamente  dopado Camada 

mais fina  e menos  dopada

dopado que o  Emissor e  mais dopado  que a Base mais fina 

e menos  dopada

N – Material semicondutor com excesso de electrões livres P – Material semicondutor com excesso de lacunas

Transistor Bipolar (BJT)

Junção PN base ‐ emissor

Junção PN base ‐ emissor

Junção PN base ‐ colector

Junção PN base ‐ colector

Transistor Bipolar (BJT)

Para o transístor bipolar poder ser utilizado com interruptor, como amplificador ou como  oscilador tem que estar devidamente polarizado através de uma fonte DC.

Para o transístor estar correctamente polarizado a junção PN base – emissor deve ser  polarizada directamente e a junção base – colector deve ser polarizada inversamente.

R áti

Regra prática:

O Emissoré polarizado com a mesma polaridade que o semicondutor que o constitui.

A Baseé polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui.

OC l t é l i d l id d t á i à d i d t tit i

Emissor Base Colector Emissor Base Colector O Colector é polarizado com polaridade contrária à do semicondutor que o constitui.

Emissor Base Colector Emissor Base Colector

P N P N P N

+ - - - + +

Transistor Bipolar (BJT)

Emissor Base Colector Emissor Base Colector

P N P N P N

+ - - - + +

Transistor Bipolar (BJT)

Transistor Bipolar (BJT)

Transistor Bipolar (BJT)

Transistor Bipolar (BJT)

Transistor Bipolar (BJT)

N material

N material P material

Transistor Bipolar (BJT)

Realizar a polarização de forma Similar aos slides anteriores Similar aos slides anteriores.

Transistor Bipolar (BJT)