IE733 – Prof. Jacobus 1a e 2a Aulas Semicondutores:

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1 IE733 – Prof. Jacobus 1a e 2a Aulas Semicondutores:
Conceitos Básicos e Propriedades

2 Experimentos no Século 19
Efeito Hall: partículas de carga + e - q, onde q = 1.6E-19 C Ressonância Ciclotrônica: os portadores apresentam massa distinta em sólidos diferentes.

3 Mecânica Quântica Elétron tem comportamento de partícula e/ou de onda, dependendo do caso. Solução da equação de Schrödinger resulta em estados quânticos para os elétrons: discretos em átomos isolados bandas de estados em sólidos.

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7 Lacuna É o efeito quântico dos elétrons da banda de valência.
São associados aos poucos estados desocupados na banda de valência. Apresentam o efeito equivalente a partículas de carga positiva = E-19 C. Na verdade não existem como partícula, mas para efeitos práticos, podemos adotar que existam.

8 Geração do Par Elétron-Lacuna

9 Geração e Recombinação Térmica
G = f(T, Eg) R = .p.n Em equilíbrio térmico: G = R Em material Intrínseco: n = p = ni = f(T, Eg) = 1.18E10/cm3, Si a 300K.

10 Semicondutor Extrínseco

11 Ionização dos Dopantes

12 Densidade de Estados nas Bandas

13 Estatística de Distribuição
Moléculas e átomos: Distribuição de Boltzmann

14 Estatística de Distribuição
Elétrons em Estados Quânticos: Distribuição de Fermi-Dirac

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18 Concentração de Portadores em Equilíbrio e Não Degenerado:

19 Concentração de Portadores em Equilíbrio e Neutro:
Intrínseco tipo n tipo p

20 Densidade de carga em semicondutor uniformemente dopado:
Semicondutor uniformemente dopado é neutro ponto a ponto, ou seja:

21 Posição do Nível de Fermi
Material tipo n Material tipo p

22 Semicondutor em Equilíbrio Térmico:
Temperatura uniforme Não há absorção de nenhuma forma de energia: P = I x V = 0, escuro, etc. Nestas condições: EF = cte !, ou seja, a energia média dos portadores é igual em todo ponto. É similar ao nível de água num tanque.

23 E  x x1 x2 Ec EF Ei Ev Diagrama de bandas em semicondutor em equilíbrio e concentração de portadores não uniforme:

24 1.3 Condução 1.3.1) Tempo de Trânsito.
Considere um sólido com carga Q de elétrons, que cada elétron leva tempo  para atravessar o bloco, definido como tempo de trânsito. Conclui-se que após um tempo , toda carga no bloco terá passado pela saída e portanto: ou

25 1.3.2 Deriva p/   3x104 V/cm – elétrons p/   1x105 V/cm – lacunas

26 Mobilidade de corpo de baixo campo, reduz com dopagem e com temperatura

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28 Cálculo de corrente em barra de Si tipo n com dopagem uniforme:
outra forma: Como:

29 Geral: Deriva

30 Resistência de Folha

31 Difusão:

32 Sentido da Corrente de Difusão

33 Análise em barra de Si tipo n, com dopagem variando ao longo da dimensão a:

34 Cálculo de tempo de transito: Sendo Q’(x) função linear:

35 Densidade de Corrente Total

36 c) Geração e Recombinação
U = R - G = recombinação líquida Em equilíbrio: U = 0 Fora de equilíbrio e baixa injeção: Material tipo p Material tipo n

37 Equações de Continuidade e de Difusão de Minoritários:

38 Mecanismos de transporte
Deriva resistores, transistores FET Difusão junção pn, BJT Emissão termiônica - barr. Schottky, Tunelamento diodo túnel, cont. ôhmico Recombinação LED, Laser, diodo p-i-n Geração célula solar, fotodiodo Avalanche IMPATT, ZENER, APD

39 Blocos Construtivos

40 Outras Equações Básicas:
Lei de Gauss Equação de Poisson (unidimensional)