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)
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Diodo
As características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo
http://jas.eng.buffalo.edu/educ
ation/pn/iv/index.html
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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)
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Metal – semicondutor - isolante
Estrutura da bandas
http://php.scripts.psu.edu/users/i/r/irh1/SWF/Semiconductors.swf
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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.
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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)
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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?
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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
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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?
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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
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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.
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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!
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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)
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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
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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#
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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.
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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.
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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.
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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
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Exemplo
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Exemplo
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Exemplo
Calcular o potencial intrínseco Vbi
Calcular a capacitância do fundo (como?)
Calcular a capacitância da lateral
Calcular a capacitância total
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Exemplo
Calcular o potencial intrínseco Vbi
Calcular a capacitância do fundo
Calcular a capacitância da lateral
Calcular a capacitância total
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Exemplo
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Exemplo
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Exemplo
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Exemplo
Capacitâncias em série ou em paralelo?
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Exemplo
28
Exemplo
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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…
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Electric VLSI Design System
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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
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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/
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