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
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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
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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
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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
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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
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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 
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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
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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]
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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.
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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
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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
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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
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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
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