Germano Maioli Penello Microeletrônica Germano Maioli Penello http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica%20_%202015-1.html Sala 5145 (sala 17 do laboratorio de engenharia elétrica)

Diodo As características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/iv/index.html

Diodo As características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo ID – corrente no diodo IS – Corrente de saturação Vd – Tensão no diodo VT – Tensão térmica (~25meV @ 300K) n – coeficiente de emissão (relaciando com o perfil de dopagem)

Metal – semicondutor - isolante Estrutura da bandas http://php.scripts.psu.edu/users/i/r/irh1/SWF/Semiconductors.swf

Semicondutor Pontos importantes: Aumentar o número de buracos ou elétrons aumenta a condutividade do material Mobilidade (facilidade de se mover no cristal) do elétron é maior do que a do buraco PONTO IMPORTANTE! As mobilidades do buraco e do elétron são diferentes, isto afeta o tamanho dos MOSFETs. NMOS são menores que PMOS para que eles tenham a mesma capacidade de corrente, Ids.

Tempo de vida do portador Quando a temperatura aumenta, o semicondutor absorve calor. Elétrons na banda de valência ganham energia para serem ecitados pra banda de condução. Note a importância de Eg no semicondutor! Esta excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução é chamada de geração. Quando o elétron volta da banda de condução para a banda de valência, isto é chamado de recombinação. O tempo que o elétron passa na banda de condução antes de recombinar (voltar para a banda de valência) é aleatório. Ele é caracterizado pelo tempo de vida do portador tT. (valor rms do tempo que o elétron passa na banda de condução)

Concentração de portadores O tempo de vida do portador é um parâmetro muito importante no projeto de circuitos integrados. Outro parâmetro importante é o número de elétrons na banda de condução ou de buracos na banda de valêncai (chamada de concentração de portadores). À temperatura ambiente (~300K), o número de portadores intrínsecos no Si é de ni = 14.5 x 109 cm-3 (ni - portadores intrínsecos) Unidade em número de portadores por volume. Nesta situação, qual o número de elétrons livres (elétrons excitados na banda de condução)? Qual o número de buracos?

Concentração de portadores À temperatura ambiente (~300K) em um Si intrínseco, n – elétrons livres p – buracos Pode parecer um número grande, mas é baixo se comparado ao número de átoms de Si no cristal (NSi = 50 x 1021 cm-3) Só existe um par elétron/buraco a cada ~1012 átomos de Si

Dopagem A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor. Dopante tipo p? – B (coluna III da tabela periódica) Dopante tipo n? – P (coluna V da tabela periódica) Se doparmos o semicondutor com um número muito maior do que o número de portadores intrínsecos, podemos fazer a seguinte aproximação. No caso de dopagem com excesso de elétrons, o número de elétrons livres, n, no material é Semicondutor dopado do tipo-n Por que NSi >> ND?

Dopagem A dopagem aumenta a condutividade porque agora há mais portadores disponíveis para realziar a condução. No semicondutor tipo-n esse excesso é de elétrons. No semicondutor tipo-p esse excessor é de buracos. É de se imaginar que, se o número de elétrons aumenta com a dopagem, o número de buracos no mesmo material diminua. Por que? Essa relação entre elétrons, buracos e número de portadores intrínsecos é governada pela Lei de ação das massa

Exemplo Pouquíssimos buracos! Note que com ND = 1018, a aproximação de que começa a não ser muito boa. Quando ND ~ NSi, o material é chamado de degenerado. Materiais degenerados não seguem mais a lei de ação das massas.

Energia de Fermi A diferença de energia entre Ei e Ef é dada por Percebemos com estas equações que a dopagem controla o nível de Fermi!

Energia de Fermi (Junção pn) Ao criar uma junção pn, como fica a estrutura de banda da junção? Junção pn (Reveja eq. do slide 43)

Junção pn (diodo) Para que exista o fluxo de corrente em um diodo, devemos aplicar uma tensão que se aproxima de Vbi. Aplicativo: Analise qual é o lado pe qual é o lado n da junção. http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/biasedPN/index.html

Junção pn - Energia de Fermi Applets Vários aplicativos em: http://jas.eng.buffalo.edu/index.html http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/bandAndLevel/fermi.html http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/levelAndDOS/ http://jas.eng.buffalo.edu/education/pin/pin2/index.html#

Camada de depleção Elétrons livres do lado n e buracos livres do lado p se recombinam na junção. Essa região livre de elétrons livres e buracos livres é chamada de região de depleção. 16

Camada de depleção A região de depleção tem cargas fixas positivas no lado n e positivas no lado p. A movimentação de elétrons e buracso só para quando o campo elétrico gerado pelas cargas fixas contrabalanceia o fluxo de portadores. 17

Capacitância parasítica Uma região de cargas fixas positivas e cargas fixas negativas pode ser analisada como placas de um capacitor! Essa capacitância parasítica é chamada de capacitância de depleção ou de junção. 18

Capacitância parasítica A capacitância de depleção pode ser modelado pela equação Cj0 – capacitância sem tensão aplicada na junção VD – Tensão no diodo m – coeficiende de gradação (grading coefficient) Vbi – potencial intrínseco 19

Exemplo 20

Exemplo 21

Exemplo Calcular o potencial intrínseco Vbi Calcular a capacitância do fundo (como?) Calcular a capacitância da lateral Calcular a capacitância total 22

Exemplo Calcular o potencial intrínseco Vbi Calcular a capacitância do fundo Calcular a capacitância da lateral Calcular a capacitância total 23

Exemplo 24

Exemplo 25

Exemplo 26

Exemplo Capacitâncias em série ou em paralelo? 27

Exemplo 28

Exemplo 29

Exemplo Aqui apresentamos o resultado da capacitância apenas na polarização reversa (VD negativo). Quando o diodo é polarizado diretamente, os portadores minoritários formam uma capacitância de difusão muito maior que a de depleção! Veremos isso na próxima aula… 30

Electric VLSI Design System

Electric VLSI Design System Software open-source para design de circuitos, leiautes e mais… http://www.staticfreesoft.com/electric.html Computer aided design – uso de computador para auxiliar a criação, modificação análise e optimização de um projeto

Electric VLSI Design System Software open-source para design de circuitos, leiautes e mais… http://www.staticfreesoft.com/electric.html Computer aided design – uso de computador para auxiliar a criação, modificação análise e optimização de um projeto Pode ser usado em conjunto com o LTSpice http://www.linear.com/designtools/software/