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