Aula 12 O Diodo e a junção pn na condição de polarização direta

Aula 12
O Diodo e a junção pn na condição de
polarização direta
211
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP 2013
211
PSI 2223 – Introdução à Eletrônica
Programação para a Primeira Prova
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP 2013
212
1
10ª-11ª Aulas:
Conceitos Básicos de Dispositivos Semicondutores
Na aula passada vimos:
-A junção pn em aberto, aprendemos como explicar o seu
comportamento, distinguindo a corrente de difusão e a corrente
de deriva. Aprendemos a calcular a barreira de potencial e a
largura da região de depleção
-A junção pn reversamente polarizada. Vimos que intensificamos
a barreira de potencial interna (Ei) e que passa a fluir uma
corrente Is devido a deriva. Calculamos a carga da região de
depleção em função da tensão reversa aplicada e determinamos a
chamada capacitância de depleção, colocando-a em nosso modelo
de diodo
-Nesta aula vamos nos dedicar a entender a junção quando
polarizada diretamente, calculando uma outra capacitância
importante.
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP 2013
213
12ª 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
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP 2013
214
2
JUNÇÃO PN atingiu o equilíbrio térmico
(Modelo de cargas)
Se nenhuma polarização externa for aplicada, as correntes de difusão e de deriva tendem a
se anular mutuamente, de forma que em equilíbrio: IT= IT dif + IT der = 0 ( ou ID = IS)
I Tdif  I D  I pdif  I ndif
I Tder  I S  I pder  I nder
+
Si Tipo P
Si Tipo N
- + + +- +- + + +- +- + + +- +-
+
- - -+ -+ -+ -+ -
Região de Depleção
ou I D  I S
Ei :campo elétrico interno de equilíbrio
215
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP
Microeletrônica
– Quinta Edição
2013Sedra/Smith
+
I Tdif  I Tder
215
Si Tipo P
Si Tipo N
- + + +- +- + + +- +- + + +- +-
+
- - -+ -+ -+ -+ -
Região de Depleção
qxp NAA  qxn NDA
Ei
Densidade de Cargas ( )
Wdep  x n  x p 
q.N D
+
-X p
Xn
-
xn N A

xp ND
2 s  1
1 

V0
N
N
q 
 A
D 
x
-q.N A
Potencial Elétrico (V)
VO
N A N D 
V0  VT ln 2 
 ni 
216
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP
Microeletrônica
– Quinta Edição
2013Sedra/Smith
x
216
3
JUNÇÃO PN polarizada reversamente
(Modelo de cargas)
Se for aplicada uma polarização negativa do anodo com relação ao catodo (polarização reversa),
aumentará o campo elétrico resultante na junção (Er = Ei + Eext), 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
IT= IT dif + IT der < 0 (ou ID < IS)
I Tdif  I D  I pdif  I ndif
I Tder  I S  I pder  I nder
IT
+
V<0
+
Si Tipo P
- --+ -+ -
Si Tipo N
-
- + + + +- + + + +- + + + +Região de Depleção
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP
Microeletrônica
– Quinta Edição
2013Sedra/Smith
Er>Ei
217
217
JUNÇÃO PN polarizada diretamente
(Modelo de cargas)
Se for aplicada uma polarização positiva do anodo com relação ao catodo (polarização direta),
diminuirá o campo elétrico resultante na junção (Er = Ei – Eext), 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: IT= IT dif + IT der > 0 (ou ID > IS)
I Tdif  I D  I pdif  I ndif
I Tder  I S  I pder  I nder
IT
+
V>0
Si Tipo P
Si Tipo N
- - - -- + +- +- +-+ -+ -+ - + +- +- +-+ -+ -+ - + +- +- ++
+
+
Região de Depleção
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP
Microeletrônica
– Quinta Edição
2013Sedra/Smith
Er<Ei
218
4
Diodo Semicondutor (Junção PN)
Anodo
II
D
Catodo
Difusão é predominante
Tipo P
Tipo N
Deriva é predominante
Anodo
Polarização
reversa
Polarização
direta
Catodo
V
Vap
N
P
I  I S (eV / nVT  1)
Foto de um diodo construído na EPUSP
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP
Microeletrônica
– Quinta Edição
2013Sedra/Smith
219
219
Distribuição de Portadores Minoritários na Junção PN Diretamente Polarizada
Si Tipo P
-+
-+
-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -
V>0
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
Si Tipo N
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+++++-
+- + - +- ++- +- +- ++- +- +- + +- +- +- ++ - +- +- +-
NA > ND
220
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP
Microeletrônica
– Quinta Edição
2013Sedra/Smith
220
5
O Diodo Polarizado Diretamente
valor de pn(x) em xn (um número)
pn(xn), da física de semicondutores, é igual a:
pn (x n )  pn 0e V /VT
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP 2013
221
O Diodo Polarizado Diretamente
função pn(x)
pn(x)?
é uma queda exponencial
com constante 
● valor inicial = pn(xn)
● valor final = pn0
●
De Cálculo: pn (x )  pnFINAL  [ pnINICIAL  pnFINAL ]e ( x  x )/
n
pn (x )  pn 0  [ pn (x n )  pn 0 ]e
L p  D p p
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP 2013
 ( x  x n )/ L p
comprimento
de difusão
Tempo de vida (médio) dos portadores
minoritários (no caso lacunas)
222
6
O Diodo Polarizado Diretamente
J p  Dp
pn (x )
x

( x  x )/ L

n
p
 pn 0  [ pn (x n )  pn 0 ]e
 Dp
x
Dp
válido do lado n, fora da
( x  x n )/ L p
q
pn 0 (e V /VT  1)e
região de depleção (x ≥ xn)
Lp
Em x = xn
Dp
V/V
Jp  q
pn0 (e T  1)
Lp
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP 2013
223
O Diodo Polarizado Diretamente
Em x = -xp
Jn  q
Dn
n p 0 (e V /VT  1)
Ln
...Em x = xn
Jp  q
Dp
V/V
p (e T  1)
L p n0
JTOTAL = JP + JN (em qualquer ponto)
Fora da região de depleção o campo
elétrico é praticamente nulo, portanto
tanto JP como JN são devidos apenas
à parcela de difusão
Em x = xn podemos somar o valor Jp e Jn
que determinamos pois Jn calculado em –xp
é o mesmo em xn pois na região de
depleção não “perdemos” cargas
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP 2013
224
7
O Diodo Polarizado Diretamente
Logo J TOTAL  J pDIF  J nDIF
q
Dp
Lp
pn 0 (e V /VT  1)  q
Dn
n p 0 (e V /VT  1)
Ln

 D p
D
pn 0  q n n p 0 (e V /VT  1)
 q
Ln

 L p
 D p

D
Logo I TOTAL  A q
pn 0  q n n p 0 (e V /VT  1)
Ln

 L p
 Dp
D

Logo I TOTAL  I S (e V /VT  1) IS  Aqni2 L N  L Nn 
n A 
 p D
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP 2013
225
O Diodo Polarizado Diretamente
A Capacitância de Difusão
Q  Aq 
área embaixo da
exponencial pn(x)
 Aq   pn ( xn )  pn0 L p
pn (x n )  pn0 e V /VT
Dp
Jp  q
p (e V/VT  1)
L p n0
Qp 
Lp 
D p p
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP 2013
Qp   p Ip
Qn   n In
L2p
Dp
Ip
Q   pIp   nIn
Q  T I D
226
8
O Diodo Polarizado Diretamente
A Capacitância de Difusão
Qp 
L2p
Dp
Ip
Qp   p Ip
Qn   n In
Q   pIp   nIn
dQ
Cd 
dV
 T
Cd  
VT

I

Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP 2013
227
O Modelo para o Diodo
Figura 3.51 The SPICE diode model.
Prof. AC.Seabra-PSI/EPUSP 2013
228
9