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Prof.Marcus Zurita - Slides sobre diodos
Tipologia: Slides
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Universidade Federal do Piauí Centro de Tecnologia Curso de Engenharia Elétrica
Prof. Marcos Zurita [email protected] www.ufpi.br/zurita Teresina - 2012 O Diodo Semicondutor
- Parte I - 2
3 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
= 0^ D I POLARIZAÇÃO REVERSA > 0^ D I POLARIZAÇÃO DIRETA
7 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita pn 2. A Junção 8
. p conectado ao SC tipo Anodo (A): . n conectado ao SC tipo Catodo (K): Símbolo n p K A K A
9 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
. p e lacunas no tipo n Existem elétrons livres no tipo Ambos os SC conservam-se eletricamente neutros pois as cargas de seus portadores são anuladas por seus respectivos átomos pais, cuja a carga é oposta. (Eq. 2.1) i n ^ nn^ np^ ^ p^ n^ p^ p 2
p tipo
tipo n lacunas elétrons-livres doadores imóveis + aceitadores imóveis- 10
o material deixa de ser pn Ao se formar a junção eletricamente neutro ao longo de toda sua extensão. ) há uma alta concentração 0 < x De um lado da junção ( ) esta 0 x > de lacunas enquanto do outro lado ( concentração é extremamente baixa. n tipo p tipo x^0 np >> p p nn << p n
13 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita Tão logo cargas positivas e negativas (íons) são geradas nas proximidades da junção, surge um campo elétrico ,
. )^0 E campo de barreira ( denominado O campo de barreira, por sua vez, irá gerar a deriva de de lacunas e elétrons- livres no sentido oposto ao da difusão. n tipo p tipo x^0 deriva das lacunas corrente de deriva ) derpJ das lacunas ( np >> p p deriva dos elétrons corrente de deriva ) dernJ dos elétrons ( nn << p n
E campo elétrico gerado 14 O equilíbrio entre os processos de difusão e deriva será J alcançado quando as correntes de difusão ( dif ) e de J deriva ( der ) estiverem perfeitamente balanceadas para cada tipo de portador, isto é: o processo de difusão é pn Deve-se notar que na junção , n e p gerado pelos portadores majoritários das regiões enquanto o de deriva é gerado pelos portadores minoritários. (Eq. 2.3) h J dif h J der 0 (Eq. 2.2) n J dif n J der 0
15 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
Q Uma vez atingido o equilíbrio, uma região de carga , p povoada por íons negativos e carente de lacunas terá ). 0 < x <^ p0x próxima à junção (- p ser formado na região Da mesma forma, uma região , povoada por íons n Q de carga positivos e carente de elétrons- livres terá se formado na região ).^ n0x < x < 0 próxima à junção ( n = área da seção transversal da junção) A ( (Eq. 2.5) A^ n0x^ D qN n Q (Eq. 2.4) A^ p0 x^ A qN p Q
tipo n
p tipo
n tipo lacunas elétrons-livres doadores imóveis + aceitadores imóveis-
Região de depleção
19 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita Naturalmente, em estado de equilíbrio as cargas positivas e negativas da região de depleção devem ser simétricas, isto é: logo: As extensões das regiões de cargas em cada lado da junção podem ser obtidas a partir das Eqs. 2.8 e 2.10, isto é: (Eq. 2.10) n0x^ D N ^ p0 x^ A N (Eq. 2.12) ^ n0x A N D N A N (^0) W (Eq. 2.11) p0 x D N D N A N (^0) W (Eq. 2.9) 0 n Q p Q 20 A largura da região de depleção pode ser expressa também em função da tensão de barreira, que possui a vantagem de ser um parâmetro facilmente mensurável: Aplicando a Eq. 2.13 às Eqs. 2.11 e 2.12 temos: = constante dielétrica do semicondutor ᔱ Onde: (Eq. 2.13) ^0^ W
2
D N A N
(^0) V (Eq. 2.14)^ x p
2
D N
(^0) V (Eq. 2.15) ^ n0x
2
A N
(^0) V
21 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita Conforme a Eq. 2.10, nota-se que não é necessário que hajam as mesmas concentrações de portadores de cada lado da junção para que haja equilíbrio de cargas. Se a concentração de portadores de um lado da junção for maior do que a do outro, a região de deple- ção se estenderá mais no lado de menor concentração.
é tipicamente duas a três^0 ordens de grandeza menor do de um n ou p que as regiões tipo ). nm diodo (normalmente alguns
n
p
n
25 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita Mesmo polarizado reversamente, alguns portadores minoritários de cada lado da junção ainda conseguem atravessar a região de depleção e conduzir corrente ). corrente de saturação reversa ( I Corrente de Saturação Reversa ( é a corrente que ): s quando polarizada reversamente. pn atravessa a junção A corrente de saturação reversa possui um valor extremamente baixo, tipicamente inferior a 1 μA. 26
. n ; terminal “-” ao lado p Terminal “+” conectado ao lado serão repelidos pelo n Os elétrons livres do lado potencial “-” da tensão aplicada e ao mesmo tempo atraídos pelo potencial “+” aplicado no lado oposto. Um comportamento similar ocorre com as lacunas do . p lado O fluxo forçará os porta- dores a se recombinarem com os íons da região de depleção, reduzindo sua ).^0 W < W largura ( W +^ -
+^ - +^ - +^ - +^ -
DI D I n p D V
27 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita A redução da região de depleção reduz igualmente a tensão de barreira, aumentando assim a corrente de e p alcançarão o lado n mais elétrons do lado difusão
. n alcançarão o lado p mais lacunas do lado ao alcan- p No entanto, as lacunas originários da região tornam-se portadores minoritários; n çarem a região injetados pela n Esses portadores minoritários na região , juntamente com os portadores minoritários p região darão origem a condução de n nativos da própria região da junção. n corrente do lado A mesma análise pode ser feita para os elétrons do lado . p injetados no lado n 28 as lacunas oriundas da região n Ao alcançarem a região encontram uma grande concentração de elétrons. p Consequentemente, muitas dessas lacunas injetados se recombinarão com os elétrons antes de chegarem ao , fazendo com que haja um decaimento n final da região na sua densidade conforme a eq.: Reciprocamente, para os elétrons temos: p injetados na região = largura de difusão característica)^ p , LnL ( (Eq. 2.17) e ^0 ^ pn x^ ^ p^ n nL x (Eq. 2.16) e ^0 ^ np^ x^ ^ np pL x (0) n p x 0 ) x (^ n p
31 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita No entanto, deve-se notar que uma parcela da : n densidade de lacunas não decai ao longo do lado trata-se dos portadores minoritários nativos da região ), geradas termicamente em todo o cristal, logo: n0p ( Desta forma, a densidade de lacunas ao longo da região ) e as lacunas n0p é a soma entre as lacunas “nativas” ( n em excesso, injetadas pela região p, cujo decaimento é dado pela Eq. 2.16, logo: ou seja: (Eq. 2.21) e 0 ^ np ^ n0p x ^ np p L p x x (Eq. 2.20) n0p ^ nx ^ np 0 ^ np e ^ n0p x ^ n p T V D V e 1 pL px x (Eq. 2.22)^ n0p 32 Em ambas as regiões da junção, a corrente que percorre o diodo é conduzida pelos portadores minoritários por processo de difusão, conforme as Eqs 1.30 e 1.31. Desta forma, o fluxo total de corrente através do diodo pode ser calculado pela soma entre as correntes de difusão das lacunas e dos elétrons nas bordas da região de depleção: ou seja: (Eq. 2.23) n I D I dif p I p x x dif nx x A^ n q D ^ D I dn p x x dx A^ p q D dp nx x dx (Eq. 2.24)
33 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita ) é W Sabendo que a largura da região de deplecão ( , é razoável n ou p muito menor que a das regiões ; 0 ≈^ nx e 0 ≈^ px assumir, para efeitos de calculo, que e tomando o x Diferenciando a Eq. 2.22 em relação a temos: = 0 x gradiente em Aplicando a Eq. 2.25 em 2.24 temos que a corrente de difusão das lacunas na borda da região de depleção é: n dp 0 x dx n0p p L e T V D V (Eq. 2.25) 1 p I dif q A p D p L e ^ n0 p T V D V (Eq. 2.26) 1 34 Da mesma maneira, a corrente de difusão dos elétrons é dada por: p na região Logo, a corrente total que flui através do diodo pode ser obtida aplicando as Eqs. 2.26 e 2.27 em 2.23: V Os termos independentes da tensão de polarização ( ) D ): SI ( corrente de saturação reversa constituem a n I dif q A n D n L e ^ p0 n T V D V (Eq. 2.27) 1 q A D I n D n L ^ p0 n p D p L e ^ n0 p T V D V (Eq. 2.28) 1 q A ^ S I n D n L p0 n p D p L i q n n0 p 2 A n D A N n L p D D N p L (Eq. 2.29)
37 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1,1 0,9 0,7 0,5 0,3 0 Aμ 0,1 ≅^ S I Diodo comercial Diodo integrado 38
39 Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
Ao se elevar a tensão de polarização reversa ) ZV até um valor suficientemente alto ( observa-se o súbito aumento da corrente através do diodo, ou seja, a condução no sentido reverso da polarização. V Potencial Zener ( é o potencial de ): Z polarização reversa que provoca a condução do diodo. ou Região de Ruptura é a região Região Zener: da curva do diodo a partir
. ZV de 0 S I Z V Região Zener 40
Região de polarização ; > 0^ DV direta: Região de polarização ; < 0^ DV reversa: Região de ruptura:
0 S I Z V Região de Polarização Reversa Região de Polarização Direta Região de Ruptura ou Região Zener
