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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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DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/iv/index.html

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DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo

ID – corrente no diodoIS – Corrente de saturaçãoVd – Tensão no diodoVT – Tensão térmica (~25meV @ 300K)n – coeficiente de emissão (relaciando com o perfil de dopagem)

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Metal – semicondutor - isolante

http://php.scripts.psu.edu/users/i/r/irh1/SWF/Semiconductors.swf

Estrutura da bandas

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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

Unidade em número de portadores por volume.

(ni - portadores intrínsecos)

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 portadoresÀ temperatura ambiente (~300K) em um Si intrínseco,

n – elétrons livresp – 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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DopagemA 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.

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/biasedPN/index.html

Aplicativo:

Analise qual é o lado pe qual é o lado n da junção.

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Junção pn - Energia de Fermi

Applets

http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/levelAndDOS/

http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/bandAndLevel/fermi.html

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pin/pin2/index.html#

Vários aplicativos em:http://jas.eng.buffalo.edu/index.html

1616

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.

1717

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.

1818

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.

1919

Capacitância parasíticaA capacitância de depleção pode ser modelado pela equação

Cj0 – capacitância sem tensão aplicada na junçãoVD – Tensão no diodom – coeficiende de gradação (grading coefficient)Vbi – potencial intrínseco

2020

Exemplo

2121

Exemplo

2222

Exemplo

Calcular o potencial intrínseco Vbi

Calcular a capacitância do fundo (como?)Calcular a capacitância da lateral Calcular a capacitância total

2323

Exemplo

Calcular o potencial intrínseco Vbi

Calcular a capacitância do fundoCalcular a capacitância da lateral Calcular a capacitância total

2424

Exemplo

2525

Exemplo

2626

Exemplo

2727

Exemplo

Capacitâncias em série ou em paralelo?

2828

Exemplo

2929

Exemplo

3030

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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Software open-source para design de circuitos, leiautes e mais…

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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/