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Electronic Materials and
Devices to use these slides in
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From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
Silicon is the most important semiconductor in today’s electronics
|SOURCE: Courtesy of IBM
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
200 mm and 300 mm Si wafers.
|SOURCE: Courtesy of MEMC, Electronic Materials,
Inc.
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
GaAs ingots and wafers.
GaAs is used in high speed
electronic devices, and
optoelectronics.
|SOURCE: Courtesy of Sumitomo Electric
Industries, Ltd.
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
(a) A simplified two-dimensional illustration of a Si atom with four hybrid orbitals ψhyb. 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 5.1
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
A two-dimensional pictorial view of the Si crystal showing covalent bonds as two lines
where each line is a valence electron.
Fig 5.2
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
(a) A photon with an energy greater than Eg 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 5.3
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
Thermal vibrations of atoms can break bonds and thereby create electron-hole pairs.
Fig 5.4
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
A pictorial illustration of a hole in the valence band wandering around the crystal due to the
tunneling of electrons from neighboring bonds.
Fig 5.5
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
Electron and Hole Drift Velocities
vde = µeEx and vdh = µhEx
vde = drift velocity of the electrons, µe = electron drift mobility, Ex = applied electric
field, vdh = drift velocity of the holes, µh = hole drift mobility
Conductivity of a Semiconductor
σ = enµe + epµh
σ = conductivity, e = electronic charge, n = electron concentration in the CB, µe =
electron drift mobility, p = hole concentration in the VB, µh = hole drift mobility
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
Mass Action Law
 Eg 

np = n = N c N v exp −
kT 

n = intrinsic concentration
2
i
i
The np product is a constant, ni2, that depends on the material properties Nc, Nv, Eg,
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)
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
Energy band diagrams for
(a) Intrinsic,
(b) n-type, and
(d) p-type semiconductors.
In all cases, np = ni2
Fig 5.8
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
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 5.9
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
Energy band diagram for an n-type Si doped with 1 ppm As. There are donor
energy levels just below Ec around As+ sites.
Fig 5.10
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
n-Type Conductivity
 ni
σ = eN d µ e + e
 Nd
2

 µ h ≈ eN d µ e


σ = electrical conductivity
e = electronic charge
Nd = donor atom concentration in the crystal
µe = electron drift mobility, ni = intrinsic concentration,
µh = hole drift mobility
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
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 5.11
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
Energy band diagram for a p-type Si doped with 1 ppm B.
There are acceptor energy levels Ea just above Ev around B- sites. These acceptor levels
accept electrons from the VB and therefore create holes in the VB.
Fig 5.12
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
(a) Below Ts, the electron concentration is controlled by the ionization of the donors.
(b) Between Ts and Ti, 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 5.14
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
The temperature dependence of the electron concentration in an n-type semiconductor.
Fig 5.15
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
The temperature dependence
of the intrinsic concentration
Fig 5.16
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
Scattering of electrons by an ionized impurity.
Fig 5.17
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
The variation of the drift mobility with dopant concentration in Si for electrons and holes at
300 K.
Fig 5.19
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
Schematic illustration of the temperature dependence of electrical conductivity for a doped
(n-type) semiconductor.
Fig 5.20
From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2005)
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
Electrões livres
Zona neutra ou zona de deplecção
Lacunas
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.
Electrões livres
Electrões livres
Lacunas
Zona neutra ou zona de deplecção estreita
Junção PN
Principio de funcionamento
p
Quando polarizado inversamente um díodo rectificador não conduz porque na junção PN a zona neutra ou zona de deplecção (zona sem portadores de j ã PN
t
d d l ã (
t d
d
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 silício essa 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
Tensão
directa
UF
Corrente
directa
IF
Tensão
inversa
UR
Corrente
i
inversa
IR
IF
UR
UF
IR
Junção PN
Curva Característica
Pode‐se observar na curva característica do 1º quadrante (díodo polarizado directamente) que à medida l i d di t
t )
à
did
que se aumenta a tensão directa (UF) a corrente directa (IF) também aumenta.
Na curva do 3º quadrante
N
d 3º
d t (díodo (dí d
polarizado inversamente) podemos observar que para uma dada faixa da tensão inversa (U
( R)) a corrente inversa (IR) é desprezível (corrente de fuga). A tensão inversa não pode atingir a tensão de ruptura pois isso acarreta que o díodo passe a conduzir em dí d
d i
sentido contrário (rompeu a junção PN).
Junção PN
Reta de carga
g
Consideremos o circuito:
+
+
VF
_
IF
+
VCC
_
‐VCC + VF + RC.IF = 0
RC
_
VF + RC.IF = VCC
E
Encontramos uma equação que relaciona V
t
ã
l i
VF e IIF:
VCC = VF + RC.IF
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 (VCC e R
do díodo. É de notar que a recta de carga depende do circuito (V
e RC) em que o ) em que o
díodo está inserido, enquanto que a curva característica é fornecida pelo fabricante.
VCC = VF + RC.IF
Corrente de saturação
Tensão de corte
IF=0 ⇒ VCC=VF
Corrente de saturação
VF=0 ⇒ IF=VCC / RC
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
do díodo. É de notar que a recta de carga depende do circuito (V
d
d
d d
( CC e RC) em que o )
díodo está inserido, enquanto que a curva característica é fornecida pelo fabricante.
IF
VCC = VF + RC.IF
RC=750Ω
VCC=3V
Tensão de corte
IF=0 ⇒ VCC=VF ⇒ VF=3 V
Corrente de saturação
VF=0 ⇒ IF=VCC / RC ⇒ IF=3 / 750
mA
A
IF= 4 mA
5
4
2,5
3
Para as condições do circuito (V
P
di õ d i i (VCC=3Volt e 3V l
RC=750Ω) e a curva característica representada, a corrente directa no díodo será de IFQ≈2,5mA e a tensão directa será de VFQ=1,1V.
,
Q
2
1
1
1,1
2
3
Transistor Bipolar (BJT)
O termo Transístor resulta 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 dopado
Camada Camada
mais fina e menos dopada
Menos dopado que o Emissor e mais dopado que a Base
Altamente Altamente
dopado
N – Material semicondutor com excesso de electrões livres
P – Material semicondutor com excesso de lacunas
Camada mais fina e menos dopada
Menos d
dopado que o d
Emissor e mais dopado que a Base
Transistor Bipolar (BJT)
Junção PN base ‐
emissor
Junção PN base ‐
colector
Junção PN base ‐
emissor
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
Regra prática:
áti
O Emissor é polarizado com a mesma polaridade que o semicondutor que o constitui.
A Base é polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui.
O C l t é polarizado com polaridade contrária à do semicondutor que o constitui.
O Colector
é l i d
l id d
t á i àd
i d t
tit i
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
P material
N material
Transistor Bipolar (BJT)
Realizar a polarização de forma
Similar aos slides anteriores
Similar aos slides anteriores.
Transistor Bipolar (BJT)