Junção pn, diodos, LED`s e diodos lasers

E as questões?
1
Resumo anterior
• Aplicações de Raio-X
– Área Analítica, difração, Lei de Bragg, Fator de Estrutura
Geométrico.
– Área de Imagem, radiografia
• Luz sincrotron
• Óptica de raio-x, policapilaridade
• Microscopia de raio-x
• Laser de raio-x (brandos e duros)
20110328
2
Desde que vimos como são as diferentes
formas dos cristais, vejamos como são
formados
De ligações a bandas
3
Formação de um sólido
• Átomos livres
• Configuração eletrônica dos átomos
• Aproximação dos átomos
• Diferentes tipos de forças interatômicas: coulômbica,
repulsão, covalente
• Formação de bandas de energia
• Formação de sólidos
• Diferentes tipos de sólidos: metal, isolante,
semicondutor
4
Diferentes tipos de forças interatômicas
Eletrostática
~ 20 kJ/mol
van der Waals
0.4 – 4 kJ/mol
5
Diferentes tipos de forças interatômicas
Hidrogênica
12 – 30 kJ/mol
Covalente
~ 350 kJ/mol
Materiais duros, alto ponto de
fusão, diamante, silício, quartzo
Outras forças fracas ou desprezíveis: magnética e gravitacional
6
Principais tipos de ligações
Argon xstal: http://www.webelements.com/argon/crystal_structure_pdb.html
•
•
•
•
Van der Waals
Iônica
Metálica
Covalente
repulsão
E/kJ/mol
+0.5
0
Sodium xstal: http://www.webelements.com/sodium/crystal_structure_pdb.html
soma
1 2 3
-0.5
4
5
r/Å
atração
7
Carbon xstal; http://www.webelements.com/carbon/crystal_structure_pdb.html
Alguns tipos de ligações
Na+ Cl-
Ligação Iônica
Cl : Cl
Ligação covalente
não-polar
[H : Cl]
Ligação covalente
polar
http://www.chemistry.mcmaster.ca/esam/intro.html
8
Num sólido iônico
9
Formação de bandas
10
Átomo de hidrogênio
http://www.webelements.com/webelements/scholar/elements/hydrogen/electronic.html
11
Molécula de hidrogênio
12
Distribuição de elétrons e energias de OM
13
Distribuição de carga homo-heteropolar (ligante)
14
Distribuição de carga e distribuição de ligação (antiligante)
15
Lítio 1s22s
16
Formação de bandas de energia, número de estados
Átomos de Na (1s22s22p63s)
Número atômico 11
2 átomos
3 átomos
N átomos
3)
(1023 átomos/cm17
Bandas de energia do Na com N átomos
Átomos de Na (1s22s22p63s)
Número atômico 11
2(2l+1)elétrons
2
= fator de orientação do spin
2l+1
= número de possíveis orientações do
momento angular orbital
2(2l+1)N = capacidade de cada banda para N
átomos
18
Classificação de sólidos
• Metal
• Semicondutor
• Isolante
19
Em termos de bandas
22
Outra representação
Schematic band diagrams for an insulator, a
semiconductor, and a metal.
23
Formação de bandas de energia a partir dos níveis de
energia dos átomos constituintes
24
Exemplo configuração banda de energia do Li
25
Estrutura de banda de isolante e semicondutor (cristal
molecular)
26
Bandas de energia de níveis permitidos no diamante
1s22s22p2
27
Teoria de Bandas : duas maneiras
•
•
•
•
Duas aproximações para encontrar as energias dos elétrons associados com
os átomos numa rede periódica.
1.- Aproximação de elétron ligado (energia de átomos singulares)
– Os átomos isolados são reunidos para formar um sólido.
2.- Aproximação de elétron livre (não ligado) (E = p2/2m)
– Elétrons livres modificado por um potencial periódico, i.e. rede de íons.
Ambas as aproximações resultam em níveis de energia agrupados com
regiões de energia permitida e proibidas.
– Bandas de energia se sobrepõem em metais.
– Bandas de energia não se sobrepõem (ou possuem região proibida) para
semicondutores e isolantes.
Ver Charles Kittel – Introduction to Solid State Physics
29
A wide range of energies can cause electrons to be excited
from the valence band to the conduction band (absorption;
figure shows electronic transitions, A, and corresponding
absorption spectrum, B).
30
Excited electrons will drop from the bottom of the conduction band into
the top of the valence band with the emission of light with a very narrow
band width (emission; figure shows an electronic transition, A, and
31
corresponding emission spectrum, B)
Diagrama de Banda: Isolante com Egap grande
T>0
Banda de condução
(vazio)
EC
Egap
EF
Banda de valência
(cheio)
EV
• Em T = 0, a banda de valência inferior é preenchida com elétrons e a
banda de condução está vazia, conseqüentemente condutividade zero.
– A energia de Fermi EF está no meio da banda proibida (2-10 eV)
entre as bandas de condução e valência.
• Em T > 0, os elétrons não são termicamente excitados da banda de
valência à banda de condução, conseqüentemente também
32
condutividade zero.
Diagrama de Bandas: Função de preenchimento de Fermi-Dirac
•
Probabilidade dos elétrons (férmions) serem encontrados em vários níveis de energia.
1
f FD  E  
•
 E  EF 
e
T=0K
kT
•
Em TA, E – EF = 0.05 eV  f(E) = 0.12
E – EF = 7.5 eV  f(E) = 10 –129
Efeito enorme da dependência exponencial
1
T>0
T >> 0
• Em T = 0 K, elétrons tem 100% probabilidade de estar abaixo da energia de
Fermi EF e 0% probabilidade de estar acima de EF. Em T > 0 K, probabilidade
diminui abaixo de EF e aumenta acima de EF, provocando que a função degrau
passe a ser mais suave (escorregadia?).
Fermi : http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/functionAndStates/functionAndStates.html 33
Diagrama de Banda: Metal
preenchimento
da banda.
EC,V
Função de
preenchimento
Banda de energia
a ser preenchida
EC,V
EF
T=0K
•
•
•
EF
T>0
Em T = 0, níveis de energia abaixo de EF são preenchidos com elétrons, entretanto
todos os níveis acima de EF estão vazios.
Os elétrons são livres para se movimentar dentro dos estados vazios da banda de
condução com somente um pequeno campo elétrico aplicado E, teremos alta
condutividade elétrica.
Em T > 0, os elétrons tem uma probabilidade de serem termicamente excitados a partir
de níveis abaixo do nível de energia de Fermi para acima.
34
Junção pn, diodos, LED’s e diodos lasers
• Semicondutor tipo p, tipo n
• Junção pn, circuitos diretos e reversos
• Equações de transporte
• LED
• OLED
• Diodo laser
35
Diagrama de Bandas: Semicondutor sem Dopante
T>0
Banda de condução
(Parcialmente
preenchida)
EC
EF
EV
Banda de valência
(Parcialmente vazia)
•
Em T = 0, A banda de valência é preenchida com elétrons e a banda de
condução está vazia, resultando em condutividade zero.
•
Em T > 0, elétrons podem ser termicamente excitados da banda de valência
para a banda de condução, resultando em banda de valência parcialmente
vazia e banda de condução parcialmente preenchida.
36
Diagrama de Banda: Semicondutor com dopante doador
•
Aumenta a condutividade de um semicondutor pela adição de uma pequena
quantidade de outro material denominado dopante (ao invés de aquecer-lo)
•
Para o Si que é do grupo IV, adiciona-se um
elemento do grupo V para “doar” um elétron e
fazer Si tipo -n (temos mais elétron negativos
O elétron“Extra” está fracamente ligado, com
nível de energia de doador ED justamente abaixo
da banda de condução EC.
•
•
– elétrons resultantes na banda de condução,
promovem um aumento da condutividade
pelo aumento da densidade de portadores
livres n.
O nível de Fermi EF se desloca para EC devido a
que há mais portadores.
n-type Si
EC
EF
EV
ED
Egap~ 1 eV
37
Porção da tabela periódica – semicondutores
Portion of the periodic table emphasizing the formation of 1:1 AZ solids
that are isoelectronic with the Group 14 solids. Complementary pairs are
indicated with similar shading: for example Ge, GaAs, ZnSe, and CuBr.
38
Semicondutor tipo -n
39
Diagrama de Banda: Semicondutor com dopante aceitador
•
•
•
Para o Si, do grupo IV, adiciona-se um
elemento do grupo III para aceitar um
elétron e teremos o Si tipo -p (mais buracos
positivos).
Elétrons “perdidos” são armadilhados num
nível de energia aceitador EA justamente
acima da banda de valência EV.
– Os buracos na banda de valência
aumentam fortemente a condutividade
elétrica.
O nível de Fermi EF é deslocado para abaixo
na direção de EV devido a que há poucos
portadores.
EC
EF
EV
EA
p-type Si
40
Porção da tabela periódica – semicon.
Portion of the periodic table emphasizing the formation of 1:1 AZ solids
that are isoelectronic with the Group 14 solids. Complementary pairs are
indicated with similar shading: for example Ge, GaAs, ZnSe, and CuBr.
41
Semicondutor tipo -p
42
Junção pn
43
Junção pn : Diagrama de Banda
•
•
•
•
Em equilíbrio, os níveis de Fermi
(ou densidade de portadores de
carga) devem se igualar.
Devido à difusão, os elétrons se
movimentam do lado n para p e os
buracos do lado p para n.
Zona de Depleção, ela ocorre na
junção onde permanecem íons
parados.
Isto resulta num campo elétrico
(103 a 105 V/cm), que se opõe a
uma maior difusão.
regiões pn se “tocam” & portadores
livres se movimentam
EC
EF
EV
Tipo-n elétrons
EF
buracos
Tipo -p
regiões pn em equilíbrio
Junção pn:
http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/pnfo
rmation2/pnformation2.html
http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/pnfo
rmation3/index.html
EC
EF
EV
––
–
+–– –
+
+ + –
––
+ ++–
+ ++––
++
Zona de Depleção
44
Exemplo de mudança da banda de energia pela
composição: AlxGa1-xAs
• http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/AlGaAs
/ternary.html
45
Fabricação de diodo pn
• Abordagem a partir do substrato até o produto final
mostrando o processo de litografia
• http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodefram
e.html
46
Diodo PIN
Similar a junção PN mas com uma camada intrínseca inserida
http://jas.eng.buffalo.edu/education/pin/pin/index.html
47
Junção pn : Características I-V
• Relação Corrente-Voltagem (IV)
I  I o [eeV / kT  1]
Polariz.
direta
• Polarização direta: a corrente
aumenta exponencialmente.
• Polarização Reversa: corrente
de fuga pequeno ~Io.
• Junção pn retificadora
somente deixa passar corrente
numa direção.
Polarização
reversa
http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/pnformation_B/index.html
48
Junção pn : Diagrama de Bandas sobre polarização
•
•
Polarização Direta: voltagem negativa no lado n promove a difusão de elétrons através
do decréscimo do potencial da junção na região de depleção  maior corrente.
Polarização Reversa: voltagem positiva no lado n inibe a difusão de elétrons através do
incremento do potencial da junção na região de depleção  menor corrente.
Equilíbrio
tipo -p
tipo -n
Polarização Direta
tipo -p
tipo -n
e–
e–
Portadores
majoritários
Polarização Reversa
p-type
–V
n-type
+V
e–
Portadores
minoritários
49
Semicondutor: Densidade de Dopante via Efeito Hall
•
•
Pq útil? Determina tipo de portador de carga (elétron vs. buraco) e densidade
de portadores n para um semicondutor.
Como? Semicondutor num campo externo B, corrente através de um eixo, e
medida da voltagem de Hall induzida VH ao longo do eixo perpendicular.
Densidade de portadores n = _______(corrente I) (campo magnético B)__________
(carga do portador q) (espessura t)(Voltagem Hall VH)
•
Derivado da equação de Lorentz FE (qE) = FB (qvB).
carga + buraco
FB  qv  B carga - elétron
50
Dispositivos pn : LED e Célula Solar
•
•
Diodo emissor de luz = Light-emitting diode (LED)
– Converte sinal elétrico em luz: entra elétron  sai fóton
– Fonte de luz com vida longa, baixa potência, desenho compacto.
– Aplicações: luzes indicadores, mostradores grandes.
Célula Solar
– Converte entrada de luz em sinal elétrico de saida: entra fóton  sai elétron
(os elétrons gerados são barridos pelo campo E da junção pn).
– Fonte de energia renovável.
LED
Celula Solar
51
Curva característica de um LED
52
Diversos LED´s pela composição e cor
•
aluminium gallium arsenide (AlGaAs) - red and infrared
•
aluminium gallium phosphide (AlGaP) - green
•
aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) - high-brightness
orange-red, orange, yellow, and green
•
gallium arsenide phosphide (GaAsP) - red, orange-red, orange, and
yellow
•
gallium phosphide (GaP) - red, yellow and green
•
gallium nitride (GaN) - green, pure green (or emerald green), and blue
•
indium gallium nitride (InGaN) - near ultraviolet, bluish-green and blue
•
silicon carbide (SiC) as substrate - blue
•
silicon (Si) as substrate - blue (under development)
•
sapphire (Al2O3) as substrate - blue
•
zinc selenide (ZnSe) - blue
•
diamond (C) - ultraviolet
•
aluminium nitride (AlN), aluminium gallium nitride (AlGaN) - near to far
ultraviolet
53
Formação de cores em LED´s
Azul => In, Ga, N
Verde => GaP
Vermelho => Ga, P, As
Soluções sólidas de GaP1-xAsx, onde x
varia de 1 a 0.
Para x = 0.6, o LED é vermelho.
O LED emite em laranja quando x = 0.35.
Para x = 0.15 o LED emite amarelo. Para x
= 0 o LED emite verde, i.e. GaP
54
Dispositivos: LED’s várias cores
•
•
Diagrama de cromaticidade CIE 1976 :
caracteriza as cores por uma parâmetro
de luminância Y e duas coordenadas de
cores x e y.
A luz branca pode ser criada usando
LED’s amarelo e azul.
0.9
520 nm = verde
Luz do dia
530
Incandescente
0.8
540
510
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
550
560
570 nm = amarelo
500
580
590
Azul-verde
600
5000
30002000 K 610
490
640 nm =
10,000WHITE
vermelho
20,000
0.2 480
violeta
0.1 470 460 nm = azul
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.0
0.6
0.7
0.8
55
0.9
520 nm = verde
Luz do dia
530
Incandescente
0.8
540
510
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
550
560
570 nm = amarelo
500
580
590
Azul-verde
600
5000
30002000 K 610
490
640 nm =
10,000WHITE
vermelho
20,000
0.2 480
violeta
0.1 470 460 nm = azul
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.0
0.6
0.7
0.8
56
Color Temperature and
Color Rendering Index (CRI)
57
Continua na próxima aula
58