Sesión 7 Fundamentos de dispositivos semiconductores

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1 Sesión 7 Fundamentos de dispositivos semiconductores Componentes y Circuitos Electrónicos Isabel Pérez / José A García Souto

2 Semiconductores y Diodo de unión OBJETIVOS Conocer los fundamentos de semiconductores Semiconductores Intrínsecos. Concepto de Electrón y Hueco. Semiconductores Extrínsecos. Concepto de Impureza. Semiconductores tipo p y tipo n. Entender los fundamentos de una unión pn Unión pn en Equilibrio. Zona de Carga de Espacio. Unión pn Polarizada (Polarización en Directa, Polarización en Inversa). Interpretar la curva del diodo y relacionarla con la ecuación del diodo como unión pn polarizada UC3M 2009 CCE Sesión 7 2

3 Introducción a la Teoría de Teoría de Bandas Semiconductores Conductor Semiconductor Aislante E E E BC BC BC E o E o GAP E o BV BV BV UC3M 2009 CCE Sesión 7 3

4 Teoría de Semiconductores Semiconductores Intrínsecos. Pares electrónhueco. n i2 (T)=n p n=p (intrínseco) σ = 1 / ρ = q [ n µ p µ ] E Semiconductor BC e e µ h E o 1,1eV BV UC3M 2009 CCE Sesión 7 4

5 Semiconductores Intrínsecos (Si) T=0ºK (Equilibrio Térmico) Enlace covalente electrón libre (e ) T > 0ºK Enlace covalente roto hueco libre (h ) UC3M 2009 CCE Sesión 7 5

6 Tipos de corriente en un semiconductor DIFUSIÓN: Si la concentración de portadores (de electrones, n, y de huecos, p) e es mayor en una zona que en otra del material, los portadores tienden a moverse de la zona de mayor a la de menor concentración, dando lugar a una densidad de corriente de difusión (J d [A/cm 2 ]) J d = J dn J dp dn dp = q Dn q Dp dx dx ARRASTRE: Al aplicar un campo eléctrico E [V/cm 2 ] E Movimiento e Movimiento h J = J J Dos tipos de portadores: e y h = q n µ E q p a an ap n µ p E Corriente UC3M 2009 CCE Sesión 7 6

7 Semiconductores Extrínsecos. Concepto de Impureza (Donante) TIPO n: Se añaden al semiconductor átomos con un electrón más en la banda de valencia. Ej: Fósforo (P). 5 e libre n i2 (T) = n p n > p (extrínseco tipo n) e : portadores mayoritarios h : portadores minoritarios UC3M 2009 CCE Sesión 7 7

8 Semiconductores Extrínsecos. Concepto de Impureza (Aceptadora) TIPO p: Se añaden al semiconductor átomos con un electrón menos en la banda de valencia. Ej: Boro (B) h libre n i2 (T) = n p p > n (extrínseco tipo p) 3 h : portadores mayoritarios e : portadores minoritarios UC3M 2009 CCE Sesión 7 8

9 Semiconductores Tipo p y Tipo n. SEMICONDUCTOR TIPO n Aporta extra de e portadores mayoritarios (n o ~ N D ) Menos h portadores minoritarios (p 2 n = n i2 / N D ) SEMICONDUCTOR TIPO p Aporta extra de h portadores mayoritarios (p o ~ N A ) Menos e portadores minoritarios (n p = n i2 / N A ) DE LA TEORÍA DE SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO N A ~ N D Sc Compensado: Equivalente a intrínseco Aumento de T Aumenta pares e h T muy alta Equivalente a intrínseco (ya no son minoritarios) UC3M 2009 CCE Sesión 7 9

10 La Unión pn. Resumen de Portadores y Corrientes CORRIENTES DE PORTADORES: Considerar tanto Mayoritarios como Minoritarios Considerar tanto Electrones como Huecos TIPOS DE CORRIENTES: DE ARRASTRE: Por acción de un campo eléctrico (σ) DE DIFUSIÓN: Compensa gradiente de concentración UC3M 2009 CCE Sesión 7 10

11 Zona de deplexión, vaciamiento o carga de espaci o (sin portadores libres) p n LA UNIÓN pn en equilibrio 0 Densidad de carga (ρ) x Campo eléctrico (E) Potencial (V) x Potencial de barrera o contacto ( V γ ) x UC3M 2009 CCE Sesión 7 11

12 LA UNIÓN pn en polarización directa v V d d nv t i = I ( e 1) d S Elimino la barrera de potencial Sobre todo circulan mayoritarios por difusión (exp), también minoritarios. p n LA UNIÓN i d LA UNIÓN pn en polarización inversa V d pn polarizada Mayor barrera de potencial Solo circulan minoritarios p n i d =I s UC3M 2009 CCE Sesión 7 12

13 ESTRUCTURA Contactos métalicos p n EL DIODO DE UNIÓN SÍMBOLO i d Ánodo Cátodo pn v d CURVA CARACTERÍSTICA ENCAPSULADO Ánodo Cátodo V ruptura i d Directa i d v d t = I V t = S nv ( e 1) KT q Ruptura 0.5V Vγ = 0.7V (en Si) v d Inversa Is = Corriente inversa de saturación (muy pequeña) UC3M 2009 CCE Sesión 7 13

14 Diodos de unión y aplicaciones OBJETIVOS Conocer el funcionamiento básico de un diodo como componente de un circuito y sus modelos equivalentes Entender los umbrales de conducción y aplicarlos en el análisis de circuitos con diodos Conocer diferentes tipos de circuitos con diodos UC3M 2009 CCE Sesión 7 14

15 Diodo Ideal Aproximaciones curva característica i d Circuito Equivalente Directa (ON) A v d =0 i d >0 C Cortocircuito Inversa (OFF) v D Circuito Equivalente A i d =0 C Circuito Abierto A A C C ON A C v d <0 OFF A C UC3M 2009 CCE Sesión 7 15

16 Ejemplo: Rectificador de ½ onda V 2p v 2 (t) 0 Tensión Secundario f = 50Hz T = 20ms t[ms] V 2p V 2 (t) > 0 D ON Tensión Salida Función de transferencia v O (t) f = 50Hz v O V o (t) = V 2 (t) V op= V 2P T = 20ms V 2 (t) < 0 D OFF t[ms] 0 v 2 V o (t) = 0 D ON V 2 (t)>0 D OFF V 2 (t)<0 UC3M 2009 CCE Sesión 7 16

17 Equivalentes Circuitales del diodo Aproximaciones curva característica 1ª Aproximación: Diodo Ideal i d Inversa Circuito Equivalente Directa v d Circuito Equivalente A < C v d =0 i d >0 2ª Aproximación Circuito 3ª Aproximación Equivalente i d A C i d Vγ 1/r d Directa Directa Inversa Circuito Equivalente Vγ v d v d =Vγ i d >0 Inversa Circuito Equivalente Vγ v d Circuito Equivalente A Vγ r d v d =Vγr d.i d i d >0 C A C A C A C i d =0 v d <0 i d =0 v d <Vγ i d =0 v d <Vγ UC3M 2009 CCE Sesión 7 17

18 CIRCUITOS RECTIFICADORES V 2p v 2 (t) 0 Tensión Secundario f = 50Hz T = 20ms t[ms] 2ª Aproximación V 2p V 2 (t) > Vγ D ON Tensión Salida Función de transferencia V o (t) = V 2 (t) V γ V op= V 2P Vγ v O (t) f = 50Hz T = 20ms v O V 2 (t) < Vγ D OFF t[ms] v 2 V γ V o (t) = 0 D ON V 2 (t) > Vγ D OFF V 2 (t) < Vγ UC3M 2009 CCE Sesión 7 18

19 CIRCUITOS RECORTADORES Función de transferencia V o V γ V i > Vγ Pendiente =1 V γ V i D ON V o = V γ D OFF D ON V i < Vγ i v Tensión Salida v i (t) D OFF V γ V o = V i t v o (t) UC3M 2009 CCE Sesión 7 19

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