Overview
Fonte: Derek Wilson, Asantha Cooray, PhD, Departamento de Física & Astronomia, Escola de Ciências Físicas, Universidade da Califórnia, Irvine, CA
Semicondutores são materiais cuja capacidade de conduzir uma corrente elétrica depende fortemente de sua temperatura e nível de impureza. O tipo mais comum de material semicondutor é o silício cristalino. A maioria dos semicondutores puros não são condutores excelentes; para melhorar a condutividade, um semicondutor puro é muitas vezes combinado ou "dopado" com uma impureza. Essas impurezas são doadores, como fósforo e arsênico, que doam elétrons para o silício, ou aceitadores, como boro e alumínio, que roubam elétrons do silício. Quando os aceitadores tiram elétrons do silício, eles deixam regiões de carga positiva chamadas "buracos" que efetivamente se comportam como elétrons carregados positivamente.
Um semicondutor do tipo P é formado quando o doping faz buracos que são o portador de carga dominante no material. Um semicondutor do tipo N é formado quando um semicondutor é dopado de tal forma que o portador de carga dominante é o elétron. Como se pode esperar, uma junção p-n é formada na fronteira entre o semicondutor do tipo p e o semicondutor do tipo n. A interação de elétrons e buracos na junção dá origem ao comportamento notável visto em componentes de circuito, como diodos e transistores. Este laboratório explorará as propriedades de uma única junção p-n na forma de um diodo semicondutor.
Principles
Na junção entre os materiais do tipo p e n, os elétrons das impurezas do doador no semicondutor do tipo N combinam-se com os orifícios do semicondutor do tipo p. A impureza do doador no semicondutor do tipo N perde um elétron e se torna um íon positivo. A impureza aceitante no tipo p aceita este elétron, formando um íon negativo. A "região de esgotamento" imediatamente ao redor da junção torna-se assim deficiente em elétrons e buracos. Na região de esgotamento, a região do material do tipo N está agora repleta de íons positivos, e o material do tipo p é dominado por íons negativos. Os íons positivos repelem elétrons para longe do lado n-tipo da junção, enquanto os íons negativos repelim buracos do lado tipo p da junção. O campo elétrico a partir do acúmulo de íons na junção p-n efetivamente impede que elétrons ou buracos fluam através da junção.
No entanto, se uma tensão forte o suficiente for aplicada através da junção p-n, a corrente pode ser feita para fluir novamente. Se uma queda positiva de tensão for colocada através da junção (ou seja, uma diminuição da tensão do material tipo p para o material do tipo n), então o campo elétrico aplicado pode ser capaz de superar a força dos íons e pode empurrar elétrons através da junção. Diz-se que a junção é "tendenciosa para a frente" neste caso. Por outro lado, se uma queda de tensão negativa for aplicada através da junção (ou seja, uma diminuição da tensão do material do tipo n para o material do tipo p), então a tensão aplicada adiciona repulsa extra à repulsa existente dos íons, e a corrente não pode fluir. Nesta configuração, a junção é "com viés reverso". A corrente pode, assim, fluir apenas em uma direção através de uma junção p-n.
A equação do diodo shockley descreve a corrente, fluindo através de uma junção p-n em função de sua temperatura e da queda de tensão através dela:
(Equação 1)
onde eusentei é a corrente de saturação tipicamente em Amperes (A), e é a carga eletrônica igual a 1,602 10-19 Coulombs (C), V é a queda de tensão através do diodo em Volts (V), n é um parâmetro sem dimensão que varia de 1 a 2 e responde por imperfeições no diodo (n = 1 para um diodo ideal), é a constante de Boltzmann 1.38 10-23 m2 kg s-2 K-1, e T é a temperatura do diodo em Kelvins (K). A corrente de saturação é a pequena corrente que ainda consegue fluir mesmo quando o diodo é invertido. Pode-se ver que a corrente cresce exponencialmente para tensões positivas e é exponencialmente amortecida por tensões negativas. Há também uma forte dependência de temperatura. Altas temperaturas diminuem o fluxo atual, e baixas temperaturas fazem com que a corrente aumente.
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Procedure
1. Observe o comportamento de uma junção p-n na forma de um diodo semicondutor e meça sua curva característica de tensão atual.
- Obtenha um diodo semicondutor, um LED (diodo emissor de luz), uma fonte de energia, dois multimetros digitais, um resistor de 1 kΩ, alguns cabos e conectores de banana, e um termômetro.
- Olhe para o diodo semicondutor. Deveria haver uma banda em um de seus fins. O lado da banda é o "cátodo". O lado sem a banda é o "ânodo".
- Certifique-se de que a fonte de alimentação está desligada antes de conectar quaisquer componentes do circuito. Usando os cabos de banana, conecte o terminal positivo da fonte de energia a um lado do resistor, e o outro lado do resistor ao ânodo do diodo. Em seguida, conecte um multímetro no modo amômetro ao cátodo do diodo e conecte o outro terminal do amômetro ao terminal negativo da fonte de energia para completar o circuito.
- Regissu mais a temperatura na sala.
- Defina a fonte de alimentação para gerar uma corrente direta de 5 V e, em seguida, ligue-a.
- Coloque a liderança positiva do multímetro no ânodo do diodo e a liderança negativa no cátodo.
- Nesta configuração, o diodo é considerado com viés para a frente, por isso deve haver uma corrente fluindo através do circuito, e o multímetro deve exibir uma tensão. Regissão a tensão e a corrente que os multimetros exibem.
- Ajuste a fonte de alimentação para gerar uma tensão diferente. Registo as leituras de tensão e corrente dos dois multimetros, que ainda devem ser conectados em séries com o diodo.
- Repita a etapa anterior várias vezes para uma série de tensões. Regissua a temperatura ambiente durante cada repetição também.
- Remova o multimetro e desligue a fonte de alimentação. Embora essas tensões não estejam em um nível perigoso, é sempre mais seguro desligar a fonte de alimentação ao manusear componentes do circuito.
- Mantenha todas as conexões e configuração iguais, exceto virar o diodo. O cátodo está agora ligado a onde o ânodo estava previamente conectado, e vice-versa para o ânodo.
- Ligue a fonte de alimentação e reconecte o multímetro através do diodo, com a liderança positiva do mímômetro no ânodo do diodo e o chumbo negativo no cátodo.
- Regisso recorde a nova tensão e a corrente que são exibidas. Pode ser necessário ajustar a sensibilidade do multimetro. O diodo agora é invertido, então apenas uma corrente minúscula será permitida a fluir através do circuito.
- Use a equação do diodo Shockley para calcular a corrente que passa pelo diodo em função da tensão através do diodo e da temperatura do diodo. Suponha que eusentei = 4 10-10 A.
- Desligue a fonte de alimentação e troque o diodo por um LED.
- O LED terá dois pinos. O pino mais longo é o ânodo, e o pino mais curto é o cátodo. Observe o LED em configurações com viés avançado e com viés reverso.
- Observe que, como a corrente só flui quando o LED é com viés de avanço, o LED só acenderá quando estiver na configuração com viés para a frente e ficará escuro na configuração com viés reverso.
Os semicondutores são amplamente utilizados para construir eletrônicos e são a base da indústria global de semicondutores.
Um semicondutor é uma substância sólida que normalmente tem condutividade entre a de um isolador e a da maioria dos metais como cobre ou ouro. O tipo mais comum de material semicondutor é o silício cristalino, que é disponibilizado na forma de wafers finos e polidos.
Existem dois tipos principais de semicondutores, tipo p e n-type. Estes são fabricados próximos um do outro e em diferentes configurações para construir dispositivos semicondutores como junções p-n ou transistores p-n-p. Cada configuração possui propriedades elétricas únicas úteis em diferentes dispositivos eletrônicos.
Este vídeo apresentará os princípios básicos dos materiais semicondutores e propriedades das junções p-n na forma de um diodo. Em seguida, ilustrará um protocolo passo a passo para caracterizar um diodo, seguido por algumas aplicações reais de semicondutores.
A maioria dos semicondutores puros ou intrínsecos, como o silício, não são condutores elétricos excelentes. Isso ocorre porque cada átomo de silício tem quatro elétrons em sua valência ou camada mais externa. Ele compartilha esses elétrons com átomos de silício vizinhos para formar ligações covalentes, criando uma estrutura de rede desprovida de elétrons livres. Assim, um semicondutor é mais condutor pela adição de impurezas, um processo também conhecido como doping, para formar semicondutores dopados ou extrínsecos.
Essas impurezas são de dois tipos: doadores e aceitadores. "Doadores", como fósforo e arsênico, têm cinco elétrons em sua camada de valência. Quatro destes são usados para formar ligações covalentes com átomos de silício adjacentes. O elétron restante é então livre para se mover através da rede. Este tipo de semicondutor dopado, no qual os elétrons são os portadores de carga dominantes, é chamado de semicondutor do tipo N.
Agora, se a impureza é uma molécula aceitadora, como boro ou alumínio, o resultado é diferente. Estes aceitadores têm apenas três elétrons em sua camada de valência. Portanto, quando um átomo aceitador forma laços com os átomos de silício circundantes, ele deixa para trás uma região de carga positiva chamada "buraco" que efetivamente se comporta como um elétron carregado positivamente. O buraco agora está livre para se mover através da rede. Este tipo de semicondutor dopado, no qual os furos são os carregadores de carga majoritários, é chamado de semicondutor tipo p.
Agora, quando uma região em um único cristal semicondutor ou um wafer é dopada com átomos doadores, e uma região adjacente é dopada com átomos aceitádores, uma junção p-n é formada. A interface entre as regiões p e n é chamada de limite de junção.
No limite de junção, o excesso de elétrons na região n difusa em direção à região p, e simultaneamente o excesso de buracos na região p difusa em direção à região n.
Como resultado dessa difusão, os átomos doadores na região n tornam-se íons positivos imóveis, enquanto os átomos aceitos na região p tornam-se íons imóveis e carregados negativamente. Assim, na fronteira entre as regiões p e n, forma-se uma "região de esgotamento" que é deficiente em elétrons móveis e buracos.
Os íons negativos na região de esgotamento do tipo p repelim os elétrons que se difundem da região n para a região p, enquanto os íons positivos na região de esgotamento do tipo n repelem os buracos que se difundem da região p para a região n.
Em outras palavras, o campo elétrico do acúmulo de íons na região de esgotamento efetivamente bloqueia a corrente de fluir através da junção. No entanto, a corrente pode ser feita para fluir novamente aplicando uma tensão através do cruzamento.
Se uma queda positiva de tensão for aplicada, também conhecida como "viés de avanço", a largura da região de esgotamento reduz, diminuindo o campo elétrico da região, devido ao qual elétrons e furos pulam através da junção, e assim a corrente flui através da configuração.
Por outro lado, se uma queda de tensão negativa for aplicada através da junção, conhecida como "viés reverso", então a largura da região de esgotamento aumenta. Isso, por sua vez, aumenta a força do campo elétrico da região e a resistência ao fluxo de elétrons e buracos através da junção.
A corrente flui assim apenas em uma direção através de uma junção p-n. A equação do diodo Shockley pode ser usada para calcular esta corrente em função da queda e temperatura da tensão do diodo. Aqui, 'e' é a carga eletrônica, 'n' é um fator de idealidade que caracteriza como um diodo real funciona em relação a um diodo ideal, 'Kb' é a constante do Boltzmann, e 'Isat' é a pequena corrente de vazamento que flui através do dispositivo mesmo quando é invertido.
Tendo completado o básico, vamos agora rever um protocolo passo-a-passo para caracterizar uma junção p-n. Primeiro obtenha os materiais e instrumentos necessários, ou seja, um diodo semicondutor, um diodo emissor de luz ou LED, uma fonte de energia, dois multimetros digitais, um resistor de 1 quilo-ohm, alguns cabos de banana e conectores, e um termômetro.
Olhe para o diodo semicondutor e verifique se há um terminal vermelho e um terminal preto. O terminal preto é chamado de cátodo e o terminal vermelho é o ânodo.
Em seguida, conecte o resistor em série com o ânodo do diodo. Em seguida, usando os cabos de banana, conecte o terminal positivo da fonte de energia à extremidade desconectada do resistor. Em seguida, conecte o cátodo do diodo ao terminal positivo de um amímetro e o terminal negativo do amômetro ao terminal negativo da fonte de energia para completar o circuito para completar o circuito.
O diodo agora é tendencioso para a frente. Regissua a temperatura da sala. Em seguida, defina a fonte de alimentação para alimentar +5 volts de corrente direta através do circuito.
Como o diodo é tendencioso para a frente, deve haver uma corrente fluindo através do circuito, e uma queda de tensão através do diodo.
Em seguida, conecte o chumbo positivo de um segundo multímetro no ânodo do diodo, e o chumbo negativo no cátodo. Certifique-se de que o multimetro está no modo voltômetro e meça a queda de tensão. Além disso, observe a corrente registrada pelo amômetro.
Agora, ajuste a fonte de alimentação para gerar uma tensão diferente e registe a queda correspondente através do diodo usando o voltímetro, e a corrente através dele usando o amômetro.
Observe também a temperatura ambiente para cada leitura e repita o protocolo para uma série de tensões de diodo.
Uma vez que todas as medidas sejam registradas, desconecte o voltímetro e desligue a fonte de alimentação. Mantendo tudo igual, gire o diodo para que as conexões de ânodo e cátodo sejam agora invertidas e o diodo esteja conectado no modo de viés reverso.
Ligue a fonte de alimentação e reconecte o voltímetro através do diodo, com o chumbo positivo do mímmetro conectado ao ânodo do diodo e o chumbo negativo ao cátodo.
Regisso gravar a queda de tensão através do diodo, a temperatura e a corrente que flui através do diodo para uma série de tensões de diodo. Desligue a fonte de alimentação e desconecte o diodo.
Por fim, conecte um LED no lugar do diodo e observe o LED nas configurações de viés dianteiro e reverso para uma série de gotas de tensão.
Com o protocolo agora concluído, vamos rever os resultados do experimento de viés dianteiro e reverso usando tanto o diodo quanto o LED. Primeiro, calcule a corrente que passa pelo diodo para as várias gotas de tensão usando a equação do diodo Shockley e o fabricante forneceu valor Isat. Por exemplo, para uma temperatura de 293 kelvin e uma tensão de diodo medido de 555 mili volts, a corrente através do diodo pode ser calculada em 0,913 mili-amperes.
Os resultados típicos das medições do circuito com o diodo conectado no viés dianteiro e reverso estão listados na tabela. A corrente calculada e medida é plotada em função da tensão do diodo medido. Isso é chamado de "Curva Característica" do diodo.
O enredo mostra a dependência exponencial das correntes medidas e calculadas na tensão do diodo. Especificamente, observa-se que quando o diodo é tendencioso para a frente, ele permite que a corrente flua através.
Mas quando o diodo é tendencioso reverso, nenhuma corrente flui através dele, efetivamente tornando-o uma válvula que só permite o fluxo de corrente em uma direção. A minúscula corrente que ainda consegue fluir, mesmo quando o diodo é invertido, é a corrente de saturação.
Os semicondutores formam a base de toda a indústria eletrônica, desde os LEDs simples usados em nossas telas de televisão até os complexos superconsc computadores usados para fins científicos de manipulação de dados.
Os semicondutores são usados não só para construir junções p-n ou diodos, mas também transistores, que são junções n-p-n ou p-n-p. Esses transistores são a base de toda eletrônica moderna, pois podem ser usados para construir portões lógicos, que são circuitos que podem realizar operações lógicas booleanas básicas como AND, OR, NOT e NAND. Essas operações lógicas podem ser combinadas conforme necessário para realizar operações mais complexas, como adição digital e multiplicação. Pode até ser usado para construir processadores de computador e memória.
Materiais semicondutores também podem ser usados para gerar luz para aplicação em eletrônica óptica. Por exemplo, um diodo emissor de luz ou LED é uma junção p-n que emite luz quando ativada. Quando uma tensão adequada é aplicada a ela, os elétrons se recombinam com furos dentro do dispositivo, liberando energia na forma de luz.
LeDs feitos de semicondutores são fontes de luz mais eficientes em termos de energia do que a lâmpada incandescente tradicional. Portanto, os LEDs encontraram aplicações em iluminação ambiental e de tarefas, displays eletrônicos e tecnologia avançada de comunicação.
Você acabou de assistir a introdução do JoVE aos semicondutores. Agora você deve entender o básico dos semicondutores e os princípios, funcionamentos e características da junção p-n. Obrigado por assistir!
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Results
Os resultados típicos das medições do circuito são mostrados na Tabela 1. A equação do diodo shockley descreve a corrente através de um diodo em função da temperatura do diodo e da queda de tensão através dele. Para uma temperatura de 293,0 K, uma tensão de 555 mV através do diodo, e um fator de idealidade arbitrário (mas representativo) de n = 1,5,
A corrente através do diodo é calculada para todas as tensões medidas. A curva característica do diodo (corrente em função da tensão) é traçada na Figura 1. A dependência exponencial da corrente na tensão é claramente vista. Quando em viés avançado, o diodo permite que a corrente flua. Quando em viés reverso, apenas a corrente de saturação microscópica pode fluir, efetivamente fazendo do diodo uma válvula que só permite o fluxo de corrente em uma direção.
Tabela 1: Resultados.
| Tensão Medida (V) | Temperatura medida (K) | Corrente Medida
(mA) |
Corrente calculada (mA) |
| 0.555 | 293.0 | 0.372 | 0.913 |
| 0.617 | 293.1 | 1.813 | 4.66 |
| 0.701 | 293.1 | 114.67 | 42.7 |
| -0.523 | 293.2 | 0.0014 | -4 * 10-7 |
| -0.620 | 293.0 | 0.0011 | -4 * 10-7 |
| -0.695 | 292.9 | 0.0008 | -4 * 10-7 |
Figura 1: Os pontos teóricos da equação do diodo shockley estão em azul. Os pontos de dados medidos estão em vermelho. Um fator de idealidade arbitrária de n = 1,5 foi utilizado na equação do diodo de Shockley. A discrepância entre valores medidos e teóricos poderia desaparecer se o verdadeiro fator idealidade do diodo fosse conhecido.
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Applications and Summary
Este laboratório explorou as propriedades dos semicondutores e uma junção p-n na forma de um diodo semicondutor. Um diodo é um componente de circuito composto por uma junção p-n. A curva característica do diodo foi medida, observando-se que o diodo conduzia uma corrente elétrica em apenas uma direção. Um LED contém um tipo especial de junção p-n que emite luz, além de conduzir unidiretamente.
Os semicondutores são amplamente utilizados na indústria eletrônica. Os diodos semicondutores contêm apenas uma única junção p-n, enquanto os transistores são feitos de junções n-p-n e p-n-p; ou seja, duas junções p-n diretamente ao lado da outra. Transistores semicondutores são a base de quase todos os eletrônicos modernos. Eles podem ser usados para construir portões lógicos, que são circuitos que podem realizar operações lógicas booleanas básicas como AND, OR, NOT e NAND. Essas operações lógicas podem ser combinadas para executar operações mais complexas, como adição e multiplicação, e podem até ser usadas para construir processadores de computador e memória. LeDs feitos de semicondutores são fontes de luz mais eficientes em termos de energia do que as lâmpadas incandescentes tradicionais.
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