Física de los Dispositivos. 1. Estructura atómica y propiedades del Silicio (Si) y del Arseniuro de Galio (GaAs), (aplicación 1).

Transcripción

1 Práctica I Práctica I - El Semiconductor 1. Estructura atómica y propiedades del Silicio (Si) y del Arseniuro de Galio (GaAs), (aplicación 1). 2. Diagrama de bandas en función de la composición material, x, para el Al x Ga 1-x As y el Si x Ge 1-x (aplicación 2-c). Determine E g para composiciones de AlGaAs donde x toma los valores 0.1, 0.4, 0.5 y Estudiar el efecto de la temperatura (300K, 500K y 900K) en la función de distribución de Fermi, así como la población de los estados energéticos (aplicación 3- a). 4. Estudiar la posición del nivel de Fermi con la concentración de impurezas donadoras/aceptoras para el Si, GaAs y Ge (aplicación 3-b; visualizar las impurezas donadoras y aceptoras). n p ; n p = n 2 i 5. Estudio de la concentración de portadores con la función de distribución de Fermi y densidad de estados; influencia de la temperatura (aplicación 3-c). (10K, 300K y 700K) La concentración de portadores viene dada por: n = F 1/ 2 p = F 1/ 2 ( E F ( E E E / kt) / kt) donde F 1/2 es la integral de Fermi, y y las densidades equivalentes de estados en la banda de conducción y valencia respectivamente. = 2 = 2 6. oncentración de portadores calculados con la estadística de Fermi y la de Maxwell- Boltzmann para el Si, GaAs y Ge a diferentes temperaturas. Indicar cuando se aprecia diferencia entre las dos estadísticas (aplicación 3-d, visualizar los parámetros de los semiconductores así como la concentración relativa). Si Si n << p << F * 2 3/ 2 ( m kt / 2πh ) * 2 ( m kt / 2πh ) 3/ 2 n p ( E e ( E e E F F ) E ) / kt / kt 1

2 FÍSIA DE LOS DISPOSITIOS PRÁTIA II EL SEMIODUTOR O MEDII 1. Para un semiconductor de Silicio (Si) de sección 0.2 x 0.2 µm 2, dopado tipo con una concentración de impurezas cm -3, a temperatura ambiente se pide: a) ivel de Fermi respecto al nivel intrínseco. b) Anchura de la banda prohibida. c) oncentración intrínseca (n i 2 =n p). 2. Influencia del dopaje: repetir los apartados a), b) y c) con dopajes tipo de concentración y cm Influencia de la temperatura: con el dopaje inicial de cm -3, repetir los apartados a), b) y c) a las temperaturas 150 y 450 K. 4. ómo cambian los resultados en 1, 2 y 3 si el dopaje es tipo P?. 5. Repetir el estudio realizado con el Silicio para el Arseniuro de Galio (GaAs). 6. Al semiconductor de Si de la cuestión 1 aplicar una caída de tensión de 1. alcular y comprobar el campo eléctrico existente en el semiconductor. OTAS: Indicar y justificar en cada apartado el resultado obtenido. Para visualizar un fichero emplear: textedit nombre del fichero Utilizar el fichero semiconductor.inp para la simulación en MEDII con el comando: medici semiconductor.inp

3 Práctica III Práctica III - Recombinación, Arrastre y Difusión 1. Estudiar todos los mecanismos de recombinación indirecta en un semiconductor (aplicación 2-b). ontestar las preguntas del Worksheet 2. Generación de portadores en un semiconductor por un pulso láser (aplicación 2-a, fijar la longitud del semiconductor en 2 cm). Estudiar el arrastre y difusión de los portadores minoritarios, prestando atención a la representaciones width vs. t, displcmnt. vs. t, y vs. t a. Difusión i. Seleccione lifetime infinito, bias a 0 y material tipo P. ii. Repita con el material tipo. iii. Repita los apartados anteriores seleccionando mobility a 3900 cm2/s. b. Arrastre i. Seleccione para el material tipo P: lifetime a infinity, bias a +2, y repita con bias a 1. ii. Seleccione para el material tipo : lifetime a infinity, bias a +1, y repita con bias a 2. ontestar las preguntas del Quiz

4 Práctica I Práctica I - El Diodo en Equilibrio 1. Estudiar las aplicaciones del diodo en equilibrio. 2. Suponiendo para el Silicio un dopaje simétrico ( D = A =10 15 cm -3 ) dibujar cualitativamente el diagrama de bandas de la unión P (suponer la temperatura de 300 K). omprobar que se cumplen en las aplicaciones las siguientes expresiones. Anchura de la región de deplexión: 2 ε + A D W = xn + xp = q A D bi Altura de la barrera: bi kt A ln q ni 2 D eutralidad eléctrica: x = n A D x p Densidad superficial de carga: Q + = Q = q x = q D n A x p ampo máximo, en la unión metalúrgica: E m q = ε A x p = q D x ε n 3. Repetir el apartado 2 para una unión asimétrica ( D =10 17 cm -3 y A =10 15 cm -3 ). 1

5 Práctica Práctica - El Diodo en situación de no equilibrio 1. Aplicación 1: estudiar una unión P abrupta simétrica polarizada en directa ( D = A = cm -3 ; = 0.4 ). En las regiones neutras se produce inyección o extracción de minoritarios?. Qué fenómeno de transporte predomina en el diodo?. Qué ocurre en las regiones neutras con los portadores minoritarios?. Y con los mayoritarios?. Tras cuántas longitudes de difusión la concentración de minoritarios en las regiones neutras alcanza el valor de equilibrio térmico?. Por qué la corriente de electrones y huecos en la región de vaciamiento es idealmente constante?. 2. Aplicación 1: para una unión simétrica ( D = A =10 16 cm -3 ) y otra asimétrica ( A =10 17 cm -3 y D =10 15 cm -3 ) observar las corrientes de arrastre y difusión para los electrones y los huecos, así como los procesos de recombinación, variando la tensión de polarización de valores negativos a positivos. Hacia dónde apunta el campo eléctrico en la región de vaciamiento?. uándo la tensión de polarización es nula, son iguales la corriente de arrastre y difusión de los electrones?. Y en el caso de los huecos?. on polarización inversa qué le ocurre a la corriente de arrastre (fuga), por qué?. Qué le ocurre a la corriente de difusión, por qué?.

6 Práctica on polarización directa qué le ocurre a la corriente de arrastre (fuga), por qué?. Qué le ocurre a la corriente de difusión, por qué?. uando la tensión aplicada a una unión P simétrica ( D = A =10 16 cm -3 ) es de 0.2 en directa, calcular el exceso de portadores minoritarios a ambos lados de la región de q q vaciamiento. k T = k T n = n po e 1 ; p pno e 1 3. Aplicación 2: estudiar la región de carga espacial y el campo eléctrico en una región abrupta simétrica ( D = A =10 16 cm -3 ) y asimétrica ( A = cm -3 y D =10 15 cm -3 ). ariar la tensión aplicada al diodo desde valores negativos a positivos. Qué le ocurre a la región de vaciamiento?. ómo se comporta el campo eléctrico?. Dónde es máximo el campo para cualquier tensión de polarización?. ómo se comporta la carga en la región de vaciamiento, se conserva?. 4. Aplicación 3: Para una unión simétrica ( D = A =10 16 cm -3 ) variar la tensión de polarización de valores negativos a positivos. Explicar cualitativamente la capacidad asociada al diodo. Explicar cualitativamente la curva corriente-tensión.

7 FÍSIA DE LOS DISPOSITIOS PRÁTIA I EL DIODO O MEDII 1. omparar mediante el simulador MEDII los resultados teóricos obtenidos en los apartados 2 y 3 de la práctica 4, para uniones simétricas y abruptas respectivamente, con el fichero de entrada diodo.inp: a) Representando la región de vaciamiento. b) Representando el diagrama de bandas. c) ómo se calcularía la carga espacial en la unión?. d) Representando el campo eléctrico en la unión. e) Representar además en ambos casos la concentración de electrones y huecos, y el potencial eléctrico. f) omprobar la condición de equilibrio térmico en el diodo. Para ello, a partir de los ficheros de salida de las concentraciones de electrones (electrones) y huecos (huecos), comprobar que se cumple n p=n i 2 =cte. en las regiones neutras y de vaciamiento. 2. Repetir el estudio realizado en los apartados 1 y 2 de la práctica 5 mediante el simulador MEDII (fichero diodo.inp), indicando las discrepancias con las aplicaciones (modelo ideal). Para el apartado 1, emplear tensiones de polarización de 1, 0 y 0.6. Para el apartado 2, emplear dopajes mayores ( D = A =10 18 cm -3 ). En este caso MEDII no permite separar la componente de arrastre de la de difusión, pero sí distinguir entre corriente de electrones y huecos (visualizar también la corriente total). OTA: Para el Silicio, a 300 K, ε r =11.7; n i = (cm -3 ). ε o = (F/m); kt/q= (); q= ()

8 Práctica II El Transistor Bipolar 1. Estudio de los portadores minoritarios con el tamaño de la base. (arrow-base vs. Wide-base BJT aplicación 6-1). 2. Dependencia de la corriente de inyección en el nivel de dopado. Realice una tabla que presente los valores de Jb, Je, Jc y las componentes de sus corrientes Jep, Jen y Jcp (o Jcn) para distintos dopajes (e, b) a. Dependencia de la corriente de colector con el ratio longitud de difusión anchura de la base. (Seleccione PP, e=1e19, b=1e17, c=1e15, lifetime=0.05us, Dp=10 cm2/s). aríe la anchura de la base y observe como afecta esto a la pendiente de la densidad de portadores de minoritarios, por qué la concentración de minoritarios en la unión con el colector es siempre próxima a cero? Para Wb>>Lp compare Jep y Jcp, qué resulta ahora si Wb<<Lp? Realice tablas y gráficas que justifiquen sus respuestas. 3. Estudiar las corrientes de base (harge Flow into/out-of the Base region, aplicación 6-2). a. Encuentre los parámetros (α y β) usando los valores de las corrientes que aparecen en el applet. b. orriente colector i. alcule I s para be = 0.74 ; I c = I s exp( be / T ) ii. on la I s calculada en el apartado anterior calcule I c con be igual a c. orriente de Base i. oncentración de minoritarios n p y corriente I b e I ep para una tensión base emisor be = alcule la contribución de la recombinación ala corriente de la base como I rec = Ib I ep ii. Repita el apartado anterior con be = 0.75 y calcule los ratios de los valores I rec2 /I rec1 y n p2 /n p1. Explique el resultado obtenido. Qn 1 OTA: onsidere I rec = donde Qn = Ae Wb n p, A e es el área de τ b 2 unión en el emisor, W b la anchura de la base y τ b es el tiempo de vida medio de los portadores en la base. 4. Modelo equivalente de Ebers-Moll (aplicación 6-5). Realizar el Applet Tutorial y responder al Quiz.

9 Práctica III Práctica III - El Transistor MOS de Efecto ampo, MOSFET 1. omportamiento del canal (hannel O-OFF behaviors, aplicación 8-1). a. omprobar el efecto de la tensión umbral en el transistor, haciendo un barrido de la tensión de puerta para distintas tensiones umbrales. Estudiar tanto el caso del canal tipo como el tipo P. 2. (Aplicación 8-3) Estudiar la dependencia del canal con las tensiones puerta-fuente ( gs ) y drenador-fuente ( ds ). Fijar la tensión umbral para un canal tipo en 1.0, y para un canal tipo P en 1.0. Observar en ambos casos las curvas características de drenador (I ds / ds ) y puerta (I ds / gs ); explicar su funcionamiento. a. Para el canal y canal P. i. Selecione (-channel/p-channel), t =1.5 ==> Use las flechas Up/Down para cambiar el valor de gs y ds. Seleccione ds = 0 y varíe gs y encuentre para qué gs se forma el canal. Represente gs frente a t y determine la relación que existe entre ellos. ii. Ahora fije gs = 3.5, y varíe ds para encontrar el valor en el que se estrangula el canal. omprobar que se cumple que ds = gs - t 3. En la región de operación ds < gs - t, si gs sigue aumentando, qué se observa en el canal MOSFET? 4. En la región de saturación se parte con ds = ds (sat) y gs > t. Si se aumenta ds, qué se observa en el canal MOSFET?, qué dirección toma la corriente cuando se produce la inversión del canal?. La corriente eléctrica es proporcional al campo intensidad eléctrica en esta región.