Aula 2B Juncao PN
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Aula 2B Juncao PN
EE530 Eletrônica Básica I Prof. Fabiano Fruett • Junção pn no equilíbrio – Região de depleção – Potencial interno • Polarização reversa – Capacitância de junção • Polarização direta – Característica I versus V 1 Junção pn 2 1 Simbologia Fotografia de diodos discreto 3 Fonte: Boylestad 8th edição Junção pn no instante após a formação da junção metalúrgica 4 2 Evolução de concentrações de carga em uma junção pn E 5 Campo elétrico e correntes após equilíbrio I der , p = I dif , p I dert ,n = I dif ,n 6 3 Junção p-n em aberto: e V0 N N V0 = Vn − V p = VT ln D 2 A ni 7 Limites da região de depleção WP N A = WN N D WP Largura total: WN WT 1 WT = Wdep 2ε SiV0 N A + N D 2 = WN + WP = N AND q Sendo que ε Si = ε r ε 0 corresponde a constante dielétrica do silício ( 11,7 × 8,85 × 10-14 = 1,04×10-12 F/cm) e V0 é o potencial da junção 8 4 Aproximação de depleção Valida para (-Wp<x<Wn) qN ( x ) ε dE ( x ) d 2V ( x ) = =− dx dx 2 Aproximação de depleção: a) dopagem, c) campo elétrico b) densidade de carga espacial d) potencial eletrostático J 9 Polarização reversa Difusão de majoritários ID < IS Deriva de minoritários 10 5 Redução da capacitância de junção sob polarização reversa Capacitor controlado por tensão: Cj = Cj0 C j0 = C j0 V 1+ R V0 F/cm2 ε si q N A N D 1 2 N A + N D V0 F/cm2 11 Exemplo de aplicações de junções polarizadas reversamente • Fotodiodos e outros sensores de radiação luminosa para câmeras digitais • Osciladores LC usando em telefones celulares • Retificadores de onda e bloqueadores (incluindo alta tensão) 12 6 Polarização direta ID – IS = I A fonte externa fornece Redução da camada de depleção portadores majoritários para os dois lados Aumento da corrente de difusão 13 Polarização direta: Perfil dos portadores minoritários difundidos em cada região Note que: NA > ND J 14 7 Polarização direta • A concentração de excesso de portadores minoritários em cada borda da camada de depleção é dada pela relação de Boltzmann ni2 np (xp ) = expV /VT NA pn ( xn ) = ni2 expV /VT ND • A recombinação destes portadores depende do comprimento de difusão Lp = D pτ p τp é o tempo de vida dos portadores minoritários Dp é a constante de D p = ( kT / q ) µ p difusão 15 Lacunas difundidas através da junção para dentro da região n pn ( xn ) = pn 0 expV /VT pn ( x) = pn 0 + [ pn ( xn ) − pn 0 ] exp − ( x − xn )/L p Lp é o comprimento de difusão 16 8 Densidade da corrente de difusão de lacunas dpn ( x ) dx Concentração de portadores minoritários em xn J p = − qD p pn ( xn ) = pn 0 expV /VT Concentração em qualquer posição x, sendo que x>xn pn ( x) = pn 0 + [ pn ( xn ) − pn 0 ] exp − ( x − xn )/Lp Densidade da corrente de difusão em função do decaimento da concentração Jp = q Dp Lp Jp = q pn 0 (expV /VT − 1) exp Dp Lp − ( x − xn )/L p 17 pn 0 (expV /VT − 1) exp − ( x − xn )/L p O decaimento é devido à recombinação com os elétrons majoritários O máximo na densidade de corrente de lacunas ocorre em x=xn, e vale: Jp = q Dp Lp pn 0 (expV /VT − 1) 18 9 Para o lado p tem-se: Máximo na densidade de elétrons: Jn = q Dn n p 0 (expV /VT − 1) Ln Sendo que Ln é o comprimento de difusão dos elétrons minoritários 19 Corrente total Jp = q Dp Lp pn 0 (expV /VT − 1) Jn = q Dn n p 0 (expV /VT − 1) Ln D p pn 0 qDn n p 0 V /V I = A q + (exp T − 1) Lp Ln Substituindo pn0 = ni2/ND e np0 = ni2/NA Dp Dn I = Aqni2 + (expV /VT − 1) L p N D Ln N A Corrente de saturação reversa: Dp Dn 2 IS = Aqni + LnN A Lp ND 20 10 Equação da junção ou característica I versus V I D = I S (exp VD − 1) VT 21 J Dependência da relação V versus I com a temperatura I D = I S (exp VD ) VT I VD = VT ln D IS 22 11 Efeito da temperatura em IS Dp Dn 2 IS = Aqni + LnN A Lp ND ni2 ∝ T 3 exp(− qVg / kT ) µ ∝ T −n D = ( kT / q ) µ L= Dτ 23 Efeito da temperatura em um diodo operando em polarização direta com corrente (ID) constante VD Vg0 = 1,16 V λ ≈ -2 mV/K Vg0 λ T [K] 24 12 Curiosidade • Sensores de temperatura são baseados em junções semicondutores polarizadas diretamente. • Fotodiodos e outros sensores de radiação luminosa são baseados em junções semicondutoras polarizadas reversamente. 25 Capacitância de Difusão Carga de portadores minoritários armazenada em excesso Q = Aq × área embaixo da exponencial = Aq × [ pn ( xn ) − p n 0 ]L p pn(x) τT Cd = I VT τT é chamado tempo médio de trânsito do diodo J 26 13 Capacitâncias em um diodo Capacitância de Difusão • Predominante na polarização direta • Acúmulo de portadores minoritários nas regiões quase neutras dQ dV Capacitância de Depleção • Predominante na polarização reversa • Acúmulo de cargas na camada de depleção Cj = τT Cd = I VT C= ε si A = Wdep C j0 VR 1 + V0 1 2 Aproximação na polarização direta: C j = 2C j 0 27 Junção pn na região de ruptura Além de um certo valor de tensão reversa (que depende do diodo) ocorre a ruptura, e a corrente aumenta rapidamente com um pequeno aumento correspondente da tensão. • Efeito Zener • Efeito Avalanche 28 14 Efeito Zener • O campo elétrico da camada de depleção pode aumentar até um ponto capaz de quebrar ligações covalentes gerando pares elétron-lacuna 3 V ≤ VZ ≤ 8 V Junções com alta dopagem Região de depleção reduzida E Campos elétricos intensos 106 V/cm = 1V/µm 29 J Avalanche • Portadores minoritários cruzam a região de depleção e ganham energia cinética suficiente que podem quebrar ligações covalentes V ≥7 V Ionização por impacto J 30 15 Sugestão de estudo • Sedra/Smith Cap. 3 até seção 3.3.6 • Razavi Cap. 2 seções 2.2 e 2.3 – Exercícios e problemas correspondentes 31 16