TEORÍA DEL DIODO. Tema 2

Transcripción

1 Tema 2. Teoría del odo. Tema 2 TEORÍ EL IOO. 1.- Unón p-n. odo sn polarzar. 2.- Polarzacón del dodo Polarzacón nersa Polarzacón drecta. 3.- ura característca del dodo. 4.- El dodo como elemento de un crcuto. 5.- proxmacones del dodo Prmera aproxmacón Segunda aproxmacón Tercera aproxmacón uarta aproxmacón. odo deal. 6.- apacdades y tempo de conmutacón en el dodo. 7.- odos LE y dodos Zener. 17

2 Tema 2. Teoría del odo. 1.- UNION p-n. IOO SIN POLRIZR. La stuacón de partda es la del crstal semconductor representado en la Fgura 2.1, es decr, tenemos un semconductor con una zona tpo p junta a una zona tpo n. Suponemos que todas las mpurezas están totalmente onzadas y que los portadores que tenemos en cada una de las zonas proenen de las propas mpurezas, es decr, prescndmos de momento de los pares e - - h + que se forman por agtacón térmca. omo ya se ha comentado en el capítulo anteror, en la zona n cada átomo de mpureza donadora (átomos con 5 e - de alenca) al ntroducrse en la estructura crstalna del slco, produce un e - lbre, quedando, por tanto, el átomo cargado postamente. sí, podemos representar un semconductor tpo n como se muestra en el lado derecho de la fgura 1. e manera smlar, en la zona p cada átomo de mpureza aceptadora (mpurezas con 3 e - de alenca) al ntroducrse en la estructura crstalna del slco, dejan un enlace sn completar, con lo que tenden a captar un e - para satsfacer dcho enlace. O lo que es lo msmo tenden a ceder un hueco. El átomo de mpureza aceptadora, al captar un e - queda cargado cedendo un h + (carga posta), de manera que podemos obserar como el crstal sgue sendo eléctrcamente neutro. Fgura Unón p-n En la zona p exsten gran cantdad de huecos (en una prmera aproxmacón tantos como mpurezas aceptadoras, ya que suponemos que a temperatura ambente todas ellas están onzadas). Por el contraro, en la zona n el número de huecos que tendremos serán muy pocos (debdos a la formacón de pares e - - h + por rotura térmca de enlaces). Por tanto se establecerá una corrente dfusón de h + de la zona p haca la zona n. 18

3 Tema 2. Teoría del odo. nálogamente, en la zona n tendremos gran cantdad de e - (tantos como átomos de mpurezas donadoras). En la zona p tambén exstrán e - pero en un número muy bajo (como en el caso anteror debdos a la rotura térmca de enlaces). Esto orgnará una corrente de dfusón de e - de la zona n haca la zona p. Es mportante remarcar que los ones orgnados por la onzacón de los átomos de mpurezas están fjos en la red crstalna, es decr, no se pueden moer, por lo que no nterenen en la corrente eléctrca. ebdo a esta dfusón los huecos al abandonar la zona p y pasar a la zona n (donde son portadores mnortaros) tenen una gran probabldad de recombnarse con un e - anqulándose ambos. Igualmente los e - que proceden de la zona n al pasar a la zona p y en las proxmdades de la unón se recombnarán. sí, en las proxmdades de la unón aparecerá una zona donde no exstrán cargas lbres. Esta zona se denomna regón de carga espacal, zona de deplexón, zona de acado. Fgura l poner en contacto una zona p y una zona n aparece en las proxmdades de la unón una zona en la que no exsten cargas lbres. Es la zona de carga espacal. Sn embargo, el proceso de dfusón tene un límte. ebdo a los ones de las mpurezas que están fjos en la estructura crstalna, aparecerá una dferenca de potencal, posta del lado de la zona n negata del lado de la zona p que tenderá a frenar la dfusón de portadores de una zona a otra. En la zona de carga espacal aparecerá un campo eléctrco que tende a alejar tanto a los e - de la zona n como a los h + de la zona p de la unón. Por tanto la dfusón de portadores segurá hasta que el campo eléctrco generado en el nteror de la zona de carga sea lo sufcentemente grande como para mpedr el paso de los msmos. 19

4 Tema 2. Teoría del odo. Fgura En la zona de carga aparece un campo eléctrco que se opone al momento por dfusón de h + y e POLRIZIÓN EL IOO Polarzacón Inersa. Fgura Polarzacón nersa de una unón p-n. onsste en poner una tensón posta del lado de la zona n y negata del lado de la zona p. Para polarzar nersamente una unón p-n colocamos una tensón contnua con el lado negato de la msma en la zona p y el lado posto de la tensón en la zona n. La polardad aplcada de esta manera es tal que tende alejar a los h + de la zona p y a los e - de la zona n de la unón. e esta manera, la zona de cargas fjas negatas se extenderá haca el nteror de la zona p y de forma análoga la zona de cargas postas tenderá a penetrar en la zona n. 20

5 Tema 2. Teoría del odo. Fgura Polarzacón nersa. medda que aumentamos la polarzacón nersa aumenta la anchura de la zona de carga zona dpolar l aumentar la zona de deplexón aumentará el potencal de la barrera. Este aumento contnuará hasta que el potencal que aparece en la zona de carga espacal se guale con la tensón aplcada. La dstanca que la zona de carga espacal penetre en cada una de las zonas dependerá del nel de dopado de las msmas. uanto más dopada esté una zona menos se adentrará en la msma la zona de deplexón. Fgura En la fgura se apreca como la zona de carga (área sombreada) penetra más en la zona n (menos dopada) que en la zona p (más dopada). Por lo tanto, en prncpo resultará una corrente nula. Sn embargo, debemos de tener en cuenta a los portadores mnortaros (e - en la zona p y h + en la zona n proenentes de la formacón de pares e - - h + debda a la rotura térmca de enlaces). sí, el campo eléctrco aplcado tenderá a llear a los e - de la zona p haca la zona n y a los huecos de la zona n haca la zona p. Esto supone una corrente resultante que se denomna corrente nersa de saturacón o corrente de fugas. Esta corrente depende de la temperatura y no de pende de la tensón nersa aplcada. 21

6 Tema 2. Teoría del odo. Fgura En polarzacón nersa los e - de la zona p y los h + de la zona n formados por rotura térmca de enlaces atraesan la unón dando lugar a la corrente nersa de saturacón. S representamos el perfl de mnortaros en polarzacón nersa Fgura Perfles de mnortaros en la unón p-n polarzada en nersa Polarzacón drecta. uando aplcamos una tensón drecta V a una unón p-n, es decr, una tensón posta del lado p y negata del lado n. En prmer lugar, la anchura de la zona de carga dsmnuye, dsmnuyendo tambén la barrera de potencal que aparece en dcha zona. Esta tensón aplcada rompe el equlbro establecdo entre las fuerzas que sobre los portadores ejerce el campo eléctrco y las fuerzas que tenden a producr la dfusón de los portadores mnortaros. Para alores pequeños de la tensón de polarzacón (alores de tensón menores que la barrera de potencal) la crculacón de corrente no será aprecable. Esto se debe a que el campo eléctrco que aparece en la zona de carga es más fuerte que el campo exteror aplcado, por lo tanto los portadores mayortaros no podrán atraesar la zona de carga. 22

7 Tema 2. Teoría del odo. Fgura Polarzacón drecta de la unón p-n. La zona dpolar es más estrecha que la que aparece en la unón sn polarzar. medda que la tensón exteror aplcada aumenta y superamos el alor de la barrera de potencal, los portadores mayortaros atraesarán la unón. Los h + de la zona p se erán arrastrados haca la zona n y los e - de la zona n haca la zona p creándose una corrente grande (debda a los mayortaros) en el sentdo de la zona p haca la zona n. Fgura Polarzacón drecta de la unón p-n. uando V >V la corrente crece exponencalmente con la tensón aplcada. 23

8 Tema 2. Teoría del odo. Por últmo nos fjamos en el perfl de los portadores mnortaros. Fgura Perfles de mnortaros en la unón p-n polarzada en drecta. 3.- URV RTERÍSTI EL IOO. Puede demostrarse medante la físca del estado sóldo que las característcas generales de un dodo semconductor pueden defnrse por la sguente ecuacón: I q V IS exp 1 K T Ecuacón de Shockley onde I = orrente que atraesa el dodo V = Tensón (dferenca de potencal) entre los extremos del dodo p n nodo V átodo I Fgura Símbolo del dodo (unón p-n). Sentdos de tensón y corrente para la cura característca de la Fgura q = carga del electrón en ulombos = 1,6 E-19 K = constante de Boltzman = 8,62 E-5 ev/k T = Temperatura en Keln. 24

9 Tema 2. Teoría del odo. Para neles bajos de tensón (en o bajo la rodlla de la cura) = 1 para el Ge = 2 para el S Para neles relatamente altos de corrente (zona de ascenso rápdo de la cura) = 1 tanto para S como para el Ge. Por otra parte, se denomna tensón equalente de temperatura a: V T K T q T sí, por ejemplo, para temperatura ambente (T = 300 K) V T = 0,026 V = 26 mv. La ecuacón del dodo se suele escrbr a eces en la forma I V IS exp 1 VT Is Regón de polarzacón nersa (V < 0 V; I = -I ) S I (m) 0 0,3 0,5 0,7 0,1 0,2 0,3 No polarzacón (V = 0 V; I = 0 m) Regón de polarzacón drecta (V > 0 V; I > 0 m) V (V) Fgura ura característca del dodo. 25

10 Tema 2. Teoría del odo. Para alores de tensón postos y aras eces superor a V T, puede desprecarse el 1 del paréntess de la ecuacón de Shockley, de forma que, salo para un pequeño margen en las proxmdades del orgen, la corrente aumenta exponencalmente con la tensón. uando polarzamos el dodo en nersa con una tensón cuyo módulo sea aras eces superor a V T tendremos que I - I S para cualquer alor de V. Tensón Umbral V. Tambén es conocda como tensón de codo. Para alores de tensón nferores a V la corrente es muy pequeña (aún en polarzacón drecta). El dodo no conduce ben hasta que la tensón aplcada sobrepasa la barrera de potencal. Por esto, para las prmeras decenas de olto la corrente es muy pequeña. medda que nos acercamos al alor de V los portadores mayortaros de las respectas zonas (e - de la zona n y h + de la zona p) comenzan a atraesar la unón en grandes cantdades, por lo que la corrente crece rápdamente (de forma exponencal, como ya se ha comentado). Para tensones superores a la tensón umbral, pequeños aumentos de tensón producen grandes aumentos de corrente. El alor de esta tensón de 0,7 V para el S y de 0,3 V para el Ge. orrente nersa de saturacón I S. Tambén se la conoce como corrente de fugas (I O ). Está orgnada térmcamente, no depende de la tensón aplcada, sno de la temperatura. Se puede decr que su alor se duplca cada 10 º. orrente de pco. Es la máxma corrente que puede soportar el dodo en drecta sn quemarse. Es un dato que proporcona el fabrcante en las hojas de característcas del dsposto (datasheets) y nos da dstntos alores dependendo del tpo de corrente que crcule por el dodo (no será lo msmo s la corrente es contnua, s es alterna o s son pcos de sobrecorrente). 26

11 Tema 2. Teoría del odo. Tensón de ruptura. uando en un dodo aplcamos una tensón nersa, a su traés crcula la corrente nersa de saturacón (I S ) y en la zona de carga aparece una tensón gual a la tensón nersa aplcada. Sn embargo, esta tensón no puede aumentarse todo lo que se desee ya que exste un alor de tensón (tensón de ruptura) a partr del cual el dodo comenza a conducr ntensamente. Para pequeños aumentos de tensón nersa se tenen grandes ncrementos de corrente. S no consegumos eacuar toda la potenca calorífca generada por efecto Joule, el dodo se rompe. Esta ruptura se puede deber a dos efectos: Efecto aalancha. Efecto zener Efecto aalancha. l msmo tempo que la tensón a traés del dodo se ncrementa en la regón de polarzacón nersa, la elocdad de los portadores mnortaros (responsables de I S ) tambén se ncrementa. la larga, sus elocdades y sus energías cnétcas serán sufcentes para lberar portadores adconales medante colsones con estructuras atómcas de otro modo estables. Esto es, resultará un proceso de onzacón por medo del que los e - de alenca absorberán energía sufcente para abandonar el átomo padre. Estos portadores adconales pueden así ayudar al proceso de onzacón, hasta el punto en que se establezca una eleada corrente de aalancha y se determna la regón de ruptura de aalancha. Efecto Zener. uando un dodo está muy dopado la zona de deplexón es muy estrecha. causa de ello, el campo eléctrco en esta zona es muy ntenso. uando el campo eléctrco es muy eleado ( V/cm) el campo puede extraer los e - de sus órbtas de alenca. La creacón de e - lbres de esta manera recbe el nombre de efecto zener (tambén conocdo como emsón de campo ntenso ). Este efecto es dferente del efecto aalancha que requere que los portadores mnortaros con grandes elocdades deslguen e - de alenca medante choques. El efecto zener depende solamente de la ntensdad del campo eléctrco. 27

12 Tema 2. Teoría del odo. El efecto zener ocurre para alores de tensón nferores a 4 V, mentras que el efecto aalancha requere tensones superores a 6 V. Para alores de tensón comprenddos entre los 4 y los 6 V pueden coexstr ambos efectos sn prealecer uno sobre otro. la mayoría de los dodos no se les permte llegar a la ruptura (usualmente > 50 V ). Sn embargo, en otros casos, se busca trabajar en la zona nersa (dodos zener. Se erán en el apartado 7 de este capítulo) Resstenca estátca o de corrente contnua. I (m) Es la resstenca que presenta el dodo en el punto de I V Punto Q operacón. R V I V (V) Varía amplamente dependendo de la zona de trabajo. En la zona de polarzacón nersa R es del orden de los M. En la zona entre 0 y V R es del orden de las centenas de. En la zona de conduccón ( V > V) R es del orden de las decenas o undades de. Resstenca dnámca o de corrente alterna. Vene defnda por la pendente de la cura en el punto de funconamento. r d d d Q I T 28

13 Tema 2. Teoría del odo EL IOO OMO ELEMENTO E UN IRUITO Vamos a resoler el crcuto de la fgura En la resstenca En el dodo Sstema de ecuacones no lneales. Se resuele por métodos teratos. El punto nterseccón de la recta de carga con la cura del dodo es el punto de funconamento. o R L o R 1 V exp I L T S R L o 1 V exp I T S 1 V exp I T S R L L R

14 Tema 2. Teoría del odo. 5.- PROXIMIONES EL IOO Prmera proxmacón. I (m) m=1/r f m=1/r r V V (V) Podemos dstngur 3 zonas dstntas de funconamento: a) odo en polarzacón nersa (V 0) En esta zona la cura del dodo es una recta que pasa por el orgen de pendente 1/R r, por tanto, el dodo se comporta como una resstenca de alor R r. R r uando un dodo esté en nersa lo sustturemos en el crcuto por una resstenca R r. b) odo en drecta con tensón menor que la tensón umbral (0 V V ) En esta zona el dodo se comporta como un crcuto aberto (la corrente a su traés es nula ndependentemente de la tensón). Por tanto cuando un dodo esté en nersa lo sustturemos por un crcuto aberto. 30

15 Tema 2. Teoría del odo. c) odo en conduccón (V V) En esta zona la cura característca del dodo es una recta que corta al eje de tensones en el punto V y tene una pendente 1/R f. Es decr, se comporta como una resstenca en sere con una fuente de tensón de alor V. (Es mportante obserar que el polo posto de esta fuente debe estar del lado del ánodo y el negato del cátodo) R f V Por tanto, cuando un dodo esté en conduccón podremos sustturlo en el crcuto correspondente por una resstenca de alor R f y una fuente de tensón de alor V Segunda proxmacón. I (m) m=1/r f R = r V V (V) Surge al desprecar el efecto de la resstenca en nersa (esta es de un alor muy eleado, del orden de los M). El alor de esta resstenca normalmente es mucho mayor que los alores de las resstencas utlzadas en los crcutos más habtuales, por tanto podremos aproxmar que su alor es nfnto. hora podemos dstngur 2 zonas de funconamento. a) odo en corte (V V) El dodo se comporta como un crcuto aberto. 31

16 Tema 2. Teoría del odo. b) odo en conduccón ( V V) R f En esta zona la característca del dodo es exactamente gual al caso c del la prmera aproxmacón, por tanto, V habrá que susttur al dodo por una resstenca de alor R f y una fuente de tensón de alor V Tercera aproxmacón. I (m) R = 0 f R = r V (V) V uando un dodo está en conduccón la resstenca que opone al paso de la corrente es muy pequeña (R f es del orden de unos pocos ). S en el crcuto en el que se encuentre el dodo, las resstencas presentes son de alores muy superores al de R f (esto sucede habtualmente en la mayoría de las aplcacones práctcas), podremos desprecar esta resstenca hacendo R f = 0. e esta forma surge la tercera aproxmacón. Segumos tenendo dos zonas de funconamento. a) odo en corte ( V V) El dodo se comporta como un crcuto aberto. 32

17 Tema 2. Teoría del odo. b) odo en conduccón ( V V ) V El dodo se comporta como una fuente de tensón de alor V. (Tenemos lo msmo que en la aproxmacón anteror hacendo R f = uarta aproxmacón. odo deal. I (m) R = 0 f R = r V = 0 V (V) S el dodo es de S, sabemos que V = 0,7 V (0,2 V s fuese de Ge). Por tanto, s las tensones con las que trabajamos en el crcuto son muy superores a este alor, podremos desprecar estos 0,7 V sn cometer un gran error. La cuarta aproxmacón, conocda como dodo deal, surge al desprecar V. a) odo en corte ( V 0 ) El dodo se comporta como un crcuto aberto. b) odo en conduccón ( V 0 ) El dodo se comporta como un cortocrcuto. S V 0 I 33

18 Tema 2. Teoría del odo. uando se utlza la aproxmacón de dodo deal, podemos obserar como el funconamento de un dodo se asemeja al de un nterruptor. odo en nersa odo en drecta Interruptor aberto Interruptor cerrado 6.- PIES Y TIEMPO E ONMUTIÓN. Los modelos anterormente descrtos son para gran señal, es decr, cuando las aracones de la tensón aplcada son grandes respecto al nel de polarzacón. uando la ampltud de la señal aplcada es pequeña respecto a la de polarzacón se utlzan los modelos de pequeña señal que aparecen representados en la Fgura r d a) b) r r T Fgura Modelos de pequeña señal para el dodo a) polarzacón drecta y b) polarzacón nersa. onde: r d = resstenca ncremental o dnámca en drecta. r r = resstenca ncremental o dnámca en nersa. = capacdad de dfusón T = capacdad de transcón o de unón apacdad de transcón o de unón. parece cuando se aplca al dodo una tensón nersa. omo ya se ha menconado, la polarzacón nersa prooca que los portadores mayortaros se alejen de la unón, dejando descubertas más cargas nmóles. e ahí que el espesor de la zona de carga espacal aumente con la tensón nersa. Esta aracón de carga con la tensón aplcada puede consderarse como un efecto de capacdad. sí se defne la capacdad T como 34

19 Tema 2. Teoría del odo. T d Q d V T llamada capacdad de la regón de transcón, de la barrera o de la carga espacal representa la aracón de la carga almacenada en la regón de carga respecto a la aracón de la tensón en la unón. T W a) b) Fgura a)apacdad de la regón de transcón. En la zona de carga aparece una carga almacenada cuyo alor depende de la tensón de polarzacón nersa. b) Expresón de la capacdad de transcón para una unón abrupta. Su alor concde con el de la capacdad de un condensador plano de placas paralelas apacdad de dfusón. uando estamos en polarzacón drecta aparece una capacdad mucho mayor que la sta anterormente T. El orgen de esta capacdad resde en el almacenamento de cargas nyectadas cerca de la unón. (Fgura 2.15.). La cuantía de este almacenamento de carga ene determnado por el grado de polarzacón drecta. Es decr hay una aracón de la carga almacenada con la tensón aplcada. Zona p + + p n n + + p Zona n I V T a) b) Fgura apacdad de dfusón. a)parece una concentracón de cargas en las cercanías de la unón. argas negatas del lado de la zona p (debda al exceso de e - ) y postas del lado de la zona n (debda al exceso de h + ). b) Expresón de la capacdad de dfusón. 35

20 Tema 2. Teoría del odo. mbas capacdades descrtas aparecen a la ez con polarzacones drectas e nersas, sn embargo, en drecta >> T y en polarzacón nersa << T. Hay que señalar que el efecto de las capacdades sólo se tene en cuenta cuando se trabaja con pequeña señal y frecuencas eleadas (recordar que la mpedanca que presenta un condensador es nersamente proporconal a la frecuenca ). X 1 2 f Tempo de conmutacón del dodo. Supongamos una tensón de entrada escalón al crcuto de la fgura V f -V r 0 t R L En el nstante t = 0 la tensón aplcada pasa súbtamente de V f a V r mantenéndose a este nel para t > 0. S suponemos que V f y R L son mucho mayores que V y R f respectamente, la ntensdad que crcula por el dodo será: Vf R L La polarzacón drecta mota una alta concentracón del exceso de mnortaros en las proxmdades de la unón. on polarzacón nersa el exceso de mnortaros en las proxmdades de la unón es rtualmente nulo. uando hay un cambo de polarzacón deben retroceder a traés de la unón haca el lado orgnal. Este momento de carga produce una corrente en sentdo nerso (de cátodo a ánodo). El perodo de tempo durante el que el exceso de portadores mnortaros decrece hasta cero se denomna tempo de almacenamento. urante este tempo el dodo conduce fáclmente y la corrente a su traés es V R /R L. Esto contnua hasta que 36

21 Tema 2. Teoría del odo. el exceso de portadores mnortaros desaparece, a contnuacón la corrente de crece hasta I S. Fgura La tensón de (b) se aplca al crcuto de (a); (c) representa el exceso de portadores en la unón (d) corrente por el dodo y (e) tensón en el dodo 7.- IOOS LE Y IOOS ZENER. El dodo emsor de luz (Lght Emtter ode) es, como su propo nombre ndca, un dodo que produce luz sble cuando se encuentra en conduccón. En cualquer unón p-n polarzada en drecta, dentro de la estructura y, prncpalmente, cerca de la unón se producen recombnacones de h + y e -. Esta recombnacón requere que la energía que posee el e - lbre se transfera a otro estado. 37

22 Tema 2. Teoría del odo. En todas las unones p-n parte de esta energía se conerte en calor y otra parte se emte en forma de fotones. En el S y el Ge la mayor parte de esta energía lberada se transforma en calor y la luz emtda es nsgnfcante. En otros materales, como el fosfuro arsenuro de galo (GasP) o el fosfuro de galo (GaP) el número de fotones de la energía lumnosa emtda es sufcente para crear una fuente lumnosa muy sble. Esta radacón puede tener dstntas longtudes de onda, radándose luz roja, erde, amarlla o ncluso en el espectro nfrarrojo. Los leds que emten en nfrarrojos se suelen utlzar en aplcacones de alarmas, telemandos, etc. O como optoacopladores. Los dodos zener están dseñados para funconar en la zona de ruptura y dspar las potencas que se producen. Este tpo de dodos se utlzan polarzados en nersa. La ubcacón de la zona zener se puede controlar arando los neles de dopado. Una aplcacón típca es el empleo de los zener en crcutos reguladores de tensón. 38