Capítulo 11. Elementos semiconductores

Transcripción

1 Capítulo 11 Elementos semiconductoes 11.1 ntoducción 11.2 La unión p-n en equilibio 11.3 Polaización del diodo 11.4 Cuva caacteística del diodo 11.5 Aplicaciones del diodo 11.6 El tansisto de unión 11.7 Cuestiones y poblemas Objetivos Compende cualitativamente los fundamentos físicos de la unión p-n en equilibio y polaizada. Conoce la cuva caacteística -V de los diodos. Sabe utiliza las distintas apoximaciones del diodo paa esolve cicuitos con diodos. Entende cualitativamente el funcionamiento del tansisto de unión. Conoce algunas aplicaciones de diodos y tansistoes ntoducción La unión ente un semiconducto p y oto n es el elemento básico del que depende el funcionamiento de casi la totalidad de los dispositivos basados en semiconductoes. A pati de las popiedades de los semiconductoes, y los pocesos de difusión y desplazamiento de potadoes de caga, desaollaemos de foma cualitativa el compotamiento de la unión pn, tanto en equilibio como polaizada. La unión pn es en sí misma un dispositivo denominado diodo, del que estudiaemos su compotamiento, y su utilización en algunas aplicaciones. Po oto lado, estudiaemos también en este capítulo el tansisto, que es uno de los pincipales dispositivos de semiconductoes empleados en amplificación y en conmutación. Descibiemos también de foma cualitativa los mo- 11-1

2 vimientos de cagas en el inteio del tansisto de unión y veemos algunas de sus aplicaciones La unión p n en equilibio Los semiconductoes extínsecos de tipo p y de tipo n tienen poca utilidad po sí mismos, sin embago, debido a las popiedades físicas de los mismos, estudiados en las lecciones anteioes, la unión de un semiconducto de tipo p con oto de tipo n pesenta la impotante caacteística de facilita el paso de la coiente eléctica en un sentido y no en el contaio lo que la hace muy útil en numeosas aplicaciones de las que veemos algunos ejemplos en este capítulo. La unión p-n es el elemento básico y fundamental de toda la electónica de semiconductoes, y decimos que está en equilibio cuando no está conectada a un cicuito o no está polaizada, lo cual vamos a analiza en esta sección. En la siguiente sección estudiaemos la unión p-n polaizada. Vamos a estudia, en pime luga, de foma cualitativa los fundamentos físicos que caacteizan la unión p n: la distibución de los potadoes de caga, la densidad volumética de caga ρ, el campo eléctico E, y la difeencia de potencial de contacto V 0 que están pesentes en la denominada zona de tansición de la unión p n. A la tempeatua de 0 K los potadoes de caga, electones libes en la zona n y huecos en la zona p, están ligados a sus espectivos átomos, peo a tempeatua ambiente los dos tipos de potadoes están libes paa la conducción eléctica, y como se muesta en la Figua 11-1, debido a los impotantes gadientes de concentación de huecos y electones libes en la zona de la unión, huecos de la zona p pasan po difusión hacia la zona n y electones de la zona n pasan a la zona p. p n p n 0 K 300 K Figua Esquema de la unión p n sin polaiza a 0 K y a tempeatua ambiente. Los cículos vacíos epesentan los huecos, los cículos ellenos los electones libes o de conducción y los cículos con signo + ó en su inteio las impuezas donadoas ó aceptoas espectivamente Al pasa electones libes a la zona p donde hay muchos huecos éstos tienen una pobabilidad muy alta de ecombinase, ocuiendo lo mismo con los huecos que pasen de la zona p a la zona n. Así, en la zona de la unión, muchos huecos y electones se ecombinan, quedando una estecha zona, denominada zona de tansición con una distibución neta de caga eléctica ρ debida a la pesencia de los iones de las impuezas y a la ausencia de huecos y electones. Esta distibución de caga cea una difeencia de potencial denominada potencial de contacto y un campo eléctico E, como se muesta en la Figua 11-2, que poduce coientes de desplazamiento, que equiliban a las de difusión, al esta el cicuito abieto. En la Figua 11-2 y sucesivas, los límites en la zona de tansición se denotan po x p y x n. 11-2

3 p V 0 E n J des x p J des J + dif = 0 x n J dif Figua Unión p-n sin polaiza, mostando la zona de tansición, el campo eléctico, el potencial de contacto y las coientes de difusión y de desplazamiento Concentación de los potadoes de caga en la unión La vaiación de la concentación de los potadoes de caga, huecos y electones libes, en la unión es como se muesta en la p p0 N A n p0 x p n n0 N D p n0 x n Figua 11-3 en el caso de que la concentación de impuezas aceptoas N A de la zona p sea apoximadamente igual a la de impuezas donadoas N D en la zona n. En los puntos alejados de la unión, las concentaciones de potadoes de caga son las coespondientes al semiconducto n o p en equilibio. En el caso de que la concentación de impuezas sea mucho mayo que la concentación intínseca, estas concentaciones vienen dadas po: Figua Vaiación de la concentación de los potadoes en la unión p-n en equilibio p p0 N A, n p0 n N n nn0 ND, pn0 ND En la zona de tansición, existen gadientes de concentación. Estos gadientes de concentación dan luga a un movimiento de huecos desde la zona p a la zona n, y a un movimiento de electones desde la zona n a la zona p. Todo ello da luga a una densidad de coiente de difusión de la zona p a la n, y po tanto de una intensidad de coiente po difusión de la zona p a la n. 2 i A 2 i 11-3

4 Distibución volumética de caga en la zona de tansición x p ρ (x) -qn A +qn D x n Figua Distibución volumética de caga en la zona de tansición x Los huecos que se difunden hacia la zona n se ecombinan con los electones allí existentes en exceso y vicevesa, de foma que, en la zona de tansición, la concentación de potadoes de caga (p y n) es pácticamente nula, quedando dicha zona cagada con los iones de las impuezas; de donde esulta una densidad volumética de caga ρ que es negativa en el lado p de la unión y positiva en el lado n, tal como se muesta en la Figua Campo eléctico en la zona de tansición La distibución dipola de las cagas oigina un campo eléctico en la zona de tansición, diigido desde la zona n a la zona p, como se muesta en la Figua 11-2 y Figua Debido a la existencia del campo eléctico apaece una coiente de desplazamiento en la diección del campo eléctico. Así, en la unión p-n en equilibio o en cicuito abieto, el módulo de dicha coiente de desplazamiento es igual al módulo de la coiente de difusión, y como son de sentidos opuesto la coiente eléctica total (desplazamiento + difusión) es nula. X p E(x) X n Figua Campo eléctico en la zona de tansición X Difeencia de potencial de contacto La existencia del campo eléctico en la zona de tansición implica la existencia también de una difeencia de potencial en la zona de la unión. Este potencial, denotado po V 0 en la figua se denomina potencial de contacto, y epesenta la difeencia de potencial ente los extemos de la zona de tansición en cicuito abieto y en equilibio. Este potencial, a una tempeatua de 20 ºC, es de unos 0,7 V paa diodos de silicio, y de unos 0,3 V paa diodos de gemanio. El potencial de contacto no genea tensión capaz de poduci coiente, sino que constituye una baea de potencial que se opone a la difusión de los potadoes mayoitaios. Paa entende esta idea con más claidad ecodemos que las cagas positivas se mueven de las zonas de mayo a las de meno potencial, y las cagas negativa a la invesa. En la zona p los potadoes mayoitaios son los huecos y como la zona n está a mayo potencial que la zona p, esta difeencia de potencial dificulta o impide el movimiento de los huecos de la zona p a la n. Lo mismo ocue con el movimiento de los electones de la zona n a la p. V(x) V 0 X p X n X Figua Difeencia de potencial de contacto 11-4

5 Este potencial de contacto no se puede medi con un voltímeto conectado a los teminales del diodo, pues apaecen otos potenciales de contacto metal semiconducto en las conexiones, de foma que la suma de las caídas de potencial es ceo. El valo del potencial de contacto, se puede obtene a pati de la ecuación 10-7 que popociona la difeencia de potencial en un semiconducto con dopado no unifome: pxp V0 = Vxn Vxp = VT ln pxn Tal y como ya se ha comentado, en el caso de que la concentación de impuezas sea mucho más gande que la concentación intínseca, la concentación de huecos en la zona p viene dada po: p y en la zona n: Con lo cual, A D 2 ni p xp N A xn n N N N V 0 = V V = V ln V T = 0,026 V a 300 K Ecuación 11-1 xn xp T Como se ve en esta expesión, la difeencia de potencial de contacto depende de las concentaciones de impuezas en las zonas p y n y de la concentación intínseca. A su vez, puesto que la concentación intínseca está elacionada con la anchua de la banda pohibida y la tempeatua (ve Ecuación 10 3), la difeencia de potencial de contacto depende también de estas dos vaiables. Puesto que N A y N D son más gandes que n i la difeencia de potencial de contacto es positiva, de modo que la zona n está a más potencial que la zona p. 2 i D Ejemplo 11-1 Calcula la difeencia de potencial en la unión pn de un diodo de gemanio, dopado con antimonio en una concentación de m -3 en su zona n, y con indio en una concentación de m -3 en su zona p, a 300 K. Solución V NAND = Vxn Vxp = VT ln = 0,026 ln = 2 19 ni 2, ,379 V 11-5

6 11.3 Polaización del diodo Polaización diecta Vamos a ealiza un estudio cualitativo del compotamiento de la unión p n al aplicale una difeencia de potencial extena. Si conectamos la fuente de tensión continua como se indica en la Figua 11-7, es deci, el bone positivo a la zona p y el negativo a la zona n, dicha conexión ecibe el nombe de polaización diecta. p E n V(x) J des J dif J V D X p X n X V 0 V 0 - V D Figua Polaización diecta de la unión p n La polaización de la tensión aplicada es opuesta a la coespondiente al potencial de contacto, lo que povoca una disminución del campo eléctico en la unión y una educción en la altua de la baea de potencial: V = V 0 - V D En esta expesión V epesenta la caída de potencial en la zona de la unión, V 0 el potencial de contacto, y V D es la tensión aplicada mediante la fuente de alimentación. Como esultado se facilita la difusión de mayoitaios, los electones libes se mueven con más facilidad del lado n hacia el lado p de la unión, mientas que los huecos se mueven del lado p al n. Esto constituye una inyección de potadoes minoitaios en cada zona. Si aumentamos V D hasta que iguale a V 0, entonces V = 0, y no hay ninguna baea de potencial, ni campo eléctico que se oponga a la difusión y si se sigue aumentando V D entonces la baea de potencial y el campo eléctico son favoables a la difusión de mayoitaios y la coiente aumenta exponencialmente como se muesta en la Figua Esta coiente se denomina coiente diecta. Dado que al pasa la coiente po el diodo, éste disipa calo, en la páctica V D no puede se mucho mayo que V 0 ya que éste podía fundise. Polaización invesa Supongamos que se conecta una fuente de tensión continua con el polo negativo a la zona p y el polo positivo a la zona n, como se muesta en la Figua Este tipo de conexión se llama polaización invesa y es tal que pesenta la misma polaidad que la capa dipola de la unión, poduciendo, po tan- 11-6

7 to, un desplazamiento de huecos de la zona n, donde son minoitaios, hacia la zona p y de electones de la zona p hacia la zona n, ensanchándose, en consecuencia, la zona de tansición y aumentando el campo eléctico y la baea de potencial: p E n V(x) V 0 + V V 0 J des J dif J X p X n X V 0 <<<< Figua Polaización invesa de la unión p n V = V 0 + V En esta expesión V epesenta la caída de potencial en la zona de la unión, V 0 el potencial de contacto, y V es la tensión aplicada mediante la fuente de alimentación. El esultado de aplica V es que fluye una pequeña coiente 0, debida únicamente a los paes electón hueco que se genean en el cistal como esultado de los enlaces que se ompen po efecto témico; dicha coiente se llama coiente invesa de satuación, Cuva caacteística del diodo Si epesentamos gáficamente la intensidad en un diodo como función de la difeencia de potencial en sus bones, obtenemos una gáfica como la que se muesta en la Figua 11-9, denominada cuva caacteística del diodo. (ma) (µa) 0,2 0,4 0,6 V u V (V) En esta cuva vemos: Figua Cuva caacteística de un diodo de unión 11-7

8 Paa tensiones negativas (polaización invesa) la coiente en el diodo es muy pequeña, del oden de micoampeios. Dada la escala de la gáfica utilizada no se apecia dicha coiente, peo hay que ecoda que no es nula. Paa tensiones positivas (polaización diecta), apaece una coiente en el diodo. La intensidad cece de foma exponencial. Esta gáfica pone de manifiesto que el diodo paa tensiones pequeñas pácticamente no conduce, y es necesaio alcanza un cieto valo V u que se denomina tensión umbal o tensión de codo paa que la coiente en el diodo sea gande. Este valo depende del mateial, y es del oden de 0,3 V paa diodos de gemanio, y de 0,7 V paa diodos de silicio, coincidiendo con el potencial de contacto comentado anteiomente. El símbolo que se utiliza en los esquemas paa designa el diodo de unión es el mostado en la Figua El sentido de la flecha indica el sentido de la coiente cuando está polaizado de modo diecto. Figua Símbolo del diodo de unión Po ota pate, a la hoa de ealiza cálculos en cicuitos, el tabaja con esta cuva esultaía muy complejo, de modo que se utilizan divesas apoximaciones de la misma, según las necesidades del poblema. A continuación se desciben dichas apoximaciones paa el diodo. Pimea apoximación o diodo ideal Como pimea apoximación se considea el diodo simplemente como un inteupto: en polaización diecta el diodo conduce sin esistencia, y en invesa no conduce. Esta apoximación se muesta en el gáfico mediante la línea de tazo gueso. ε ε ε = V ε ε = 0 Figua Modelización como pimea apoximación del diodo 11-8

9 Segunda apoximación Como segunda apoximación se incluye también la tensión umbal del diodo, denotada po V u, y que coincide con el potencial de contacto V 0 comentado con anteioidad. En esta apoximación se considea que el diodo conduce sin esistencia po encima de la tensión umbal, y no conduce po debajo de la misma. Esto equivale entonces a considea un diodo como un inteupto o un diodo ideal en seie con un ecepto. Po debajo de la tensión umbal, el inteupto está abieto y no hay coiente, y po encima de la tensión umbal el inteupto está ceado, y hay una caída de tensión en el diodo igual a la tensión umbal del mismo. Esta apoximación se muesta en el gáfico mediante la línea de tazo gueso. ε ε V u V umbal V = ε V u Figua Modelización como segunda apoximación del diodo Tecea apoximación, o apoximación lineal Po último, en la modelización del diodo se considea también su esistencia intena. En este caso, se modeliza el diodo como un inteupto en seie con el ecepto de fueza contaelectomotiz igual a la tensión umbal del diodo y con una esistencia denominada esistencia intena del diodo. En polaización invesa el inteupto está abieto y no hay coiente, y en diecta el inteupto está ceado, y la caída de tensión en el diodo es igual a: V = V u + d ε ε V u d V umbal V V = ε + u d Figua Modelización como tecea apoximación del diodo 11-9

10 En esta expesión, d epesenta la esistencia intena del diodo, que es igual a la invesa de la pendiente de la gáfica. De nuevo, esta apoximación se muesta en el gáfico mediante la línea de tazo gueso. Po último, y como esumen, se muesta un cuado compaativo de las tes apoximaciones. Tes modelos paa el diodo de unión Diodo ideal (1ª apoximación) V Modelo simplificado (2ª apoximación) V u V u V Modelo lineal (3ª apoximación) V u d d V u V 11-10

11 Ejemplo 11-2 Calcula la intensidad que cicula po el diodo de la figua, utilizando las tes apoximaciones del diodo. Solución Podemos calcula la intensidad ceando el cicuito, es deci colocando un geneado ficticio de 10 V: i 10 V 0,7 V 0,23 Ω 35 kω Utilizando la apoximación de diodo ideal, i 10 = = 0, A = 0,286 ma i 0,7 V 0,23 Ω Consideando la tensión umbal del diodo, 10 0,7 i = 0,265 ma = 10 V 35 kω Y teniendo en cuenta también su esistencia intena, 10 0,7 i = = 0,2657 ma ,23 Obseva que ente las dos pimeas apoximaciones del diodo sí que hay una difeencia significativa. En el último caso, puesto que la esistencia intena del diodo es muy pequeña compaada con la esistencia del cicuito, la contibución de la esistencia intena es despeciable. Ejemplo 11-3 Calcula la intensidad que cicula po el diodo de la figua. 20 V 70 kω 10 kω 0,7 V 0,5 Ω 30 kω 11-11

12 Solución Paa calcula la intensidad que cicula po el diodo, utilizamos el método maticial de las coientes de malla, consideando el diodo como un ecepto con fueza contaelectomotiz y esistencia intena, y calculamos J 2 : J , = = 46,4 µa 20 V 70 kω 10 kω 0,7 V 30 kω 10 40,005 Compueba como ejecicio que se puede despecia la esistencia intena del diodo. J 2 5 Ω nfluencia de la tempeatua Al aumenta la tempeatua, aumenta la concentación intínseca. Este aumento de potadoes mayoitaios y minoitaios, tiene una epecusión diecta sobe la coiente invesa de satuación, 0, ya que su valo está deteminado po la concentación de potadoes minoitaios. ecodemos que esta débil coiente se poducía como consecuencia de los potadoes minoitaios; al aumenta éstos, y se su aumento más (ma) 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00-0,05-0, K 310 K 320 K V (mv) Figua Cuvas caacteísticas del diodo a distintas tempeatuas significativo po se minoía, aumentaá 0. En la Figua se muesta tes cuvas caacteísticas del mismo diodo obtenidas a tes tempeatuas distintas donde se apecia este hecho, así como una pendiente mayo de la cuva confome aumenta la tempeatua, como consecuencia de una mayo concentación de potadoes. Capacidad de la unión p n Tanto en la zona p como en la zona n del diodo, existe una zona con caga libe como consecuencia de las ecombinaciones, tal como muesta la Figua Esta zona de tansición está libe de potadoes, y se compota de mo

13 do equivalente a como lo haía un aislante. Nos encontamos entonces con un dispositivo que se compota igual que un condensado ideal de láminas plano paalelas cagadas con -Q y +Q y sepaadas po una distancia igual a la anchua de la zona de tansición tal como muesta la Figua ecodemos que la capacidad de dicho condensado ea invesamente popocional a la distancia ente las amaduas, po lo que la capacidad del diodo va a depende de esta sepaación. Po lo tanto, al modifica la tensión aplicada al diodo, se modifica la anchua de la zona de tansición y po consiguiente la capacidad. Tenemos pues un dispositivo cuya capacidad puede contolase modificando la tensión aplicada a éste. Los efectos de la capacidad de la unión p-n del diodo se epesentan mediante un condensado situado en paalelo con el diodo, tal y como se muesta en la pate deecha de la Figua En este hecho se basan unos diodos denominados diodos vaactoes, que no son más que condensadoes de semiconducto con capacidad vaiable dependiente del voltaje aplicado, y que se utilizan po ejemplo en cicuitos de sintonización (de adio, televisión,...). p V 0 E n -qn A +qn D x p x n -qn A +qn D x p x n Figua Modelización del diodo p-n como condensado Tiempo de ecupeación inveso del diodo Un diodo p-n polaizado en modo inveso no conduce la coiente como consecuencia de la pequeña concentación de potadoes minoitaios (electones en la zona p y huecos en la zona n). Este hecho posibilita la aplicación del diodo en la ectificación de la coiente altena, aplicación que se tataá en el apatado En esta situación, el diodo debeía pode cambia su estado de polaización diecta a invesa de modo instantáneo. Sin embago, mientas el diodo está polaizado de modo diecto, gan cantidad de huecos pocedentes de la zona p han entado en la zona n, siendo minoitaios en esta zona. El mismo azonamiento puede hacese con los electones pesentes en la zona p pocedentes de la n. Si en esta situación se inviete la polaización del diodo pasando éste a esta polaizado en modo inveso, existián gan cantidad de potadoes minoitaios en cada una de las zonas: es deci, en la zona p se encontaán electones pocedentes de la zona n y que son po tanto minoitaios en la zona p, del mismo modo que en la zona n se encontaán huecos pocedentes de la zona p y que son po tanto minoitaios en la zona n. Este exceso de potadoes minoitaios povocaá que el diodo conduzca todavía aunque esté polaizado de modo inveso hasta que sean etiados po el poceso de ecombinación

14 El tiempo necesaio paa que el diodo pase del estado de conducción al de no conducción al cambiale su estado de polaización, se denomina tiempo de ecupeación inveso. Este tiempo vaía según el diodo, peo suele vale ente los s. Paa ilusta el significado de este tiempo, consideemos un diodo al que altenativamente le estamos cambiando su polaización: seía deseable que pasaa instantáneamente de conduci a no conduci como muesta la Figua de la izquieda. En cambio, en la figua de la deecha, obsevamos que aunque está polaizado en modo inveso todavía conduce: es el tiempo que tadan los minoitaios en ecombinase y po tanto, desapaece. polaización diecta polaización invesa t t i tiempo de ecupeación inveso t Figua A la izquieda se muesta el compotamiento deseable de un diodo ectificado ante una señal altena cuadada; el paso de conduci a no conduci es instantáneo. A la deecha, se muesta el compotamiento eal de un diodo p-n con un tiempo de ecupeación inveso del mismo oden que el peiodo de oscilación de la señal Aplicaciones del diodo Una impotante aplicación del diodo consiste en la ectificación de la coiente altena. En una coiente altena, el sentido de ésta cambia altenativamente, y es necesaio en cietas aplicaciones, elimina este hecho convitiéndola en una coiente continua. Este poceso se denomina ectificación de la coiente altena. En muchas ocasiones, el poceso no es completo, obteniéndose soluciones paciales. El caso más simple se muesta en la Figua 11-17, donde el diodo está polaizado altenativamente de modo diecto y de modo inveso, po lo que dejaá pasa la coiente y poduciá tensión en la salida sólo en los semiciclos positivos. Este poceso se denomina ectificación de media onda. V e V e ~ V salida t V s t Figua ectificación de media onda Paa ectifica la onda completa se utiliza un puente de diodos como el que se muesta en la Figua 11-18, denominado ectificado de onda completa, donde se intoduce la señal de entada ente los puntos A y B, y se obtiene la señal de salida en bones de la esistencia (puntos C y D)

15 ~ V e A V s C V s D V s ~ B V e Figua ectificación de onda completa Consta de cuato diodos que altenativamente funcionan de dos en dos en modo diecto y en modo inveso como muesta el esquema siguiente. Puede obsevase que siempe hay dos diodos que pemiten el paso de la coiente, mientas los otos dos, al esta polaizados de modo inveso actúan como un inteupto abieto. Obsévese que la polaidad de los puntos C y D de la salida es la misma manteniéndose invaiable en los dos semiciclos. t A ~ A ~ C D V C V D t t B ~ B ~ Figua Funcionamiento altenativo de los diodos en un puente de diodos. Cada figua muesta la función de cada diodo duante medio ciclo El esultado final es la ectificación de onda completa. Si además se añade un condensado en paalelo con la esistencia, se puede obtene una tensión apoximadamente constante, con únicamente una pequeña oscilación o izado póximo a su valo máximo, tal y como se muesta en la Figua La amplitud de dicho izado depende básicamente de la capacidad del condensado utilizado: cuanto mayo sea esta capacidad, el izado es más pequeño. Este izado se puede elimina po completo utilizando un diodo Zene. Sin embago, hemos de tene en cuenta que el diodo pesenta un etaso en la espuesta paa pasa del estado de conducción al de no conducción, tiempo que se denomina tiempo de ecupeación inveso. Este tiempo suele se del oden de los ns, po lo que la ectificación de coientes altenas de alta fecuencia del oden de los MHz a GHz puede plantea dificultades. V Figua Tensión a la salida de un puente de diodos con condensado t 11-15

16 Así, en la Figua se muesta qué ocue en una ectificación de media onda de coientes altenas de distintas fecuencias con un diodo que tiene un tiempo de ecupeación inveso de 5 ns t (µs) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 t (µs) 1 MHz 10 MHz 0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2 t (µs) t (ns) 25 MHz 100 MHz Figua Compotamiento de un diodo de unión p-n con un tiempo de ecupeación inveso de 5 ns ante coientes altenas de fecuencias: 1, 10, 25 y 100 MHz. Se ha epesentado la intensidad a tavés del diodo fente el tiempo En el pime caso, el peiodo de la señal es 200 veces el tiempo de ecupeación inveso, y el efecto es casi impeceptible, mientas que a fecuencias de 100 MHz, el peiodo es sólo 2 veces el tiempo de ecupeación inveso, y la señal altena no es ectificada. Paa sotea estas dificultades se utilizan diodos específicos con un tiempo de ecupeación inveso significativamente meno, como el diodo Schottky El tansisto de unión Un tansisto de unión es un elemento que está compuesto po un semiconducto con tes tipos distintos de dopado, dos de tipo p y uno de tipo n (tansisto pnp) o dos de tipo n y uno de tipo p (tansisto npn), dispuesto en seie dando luga a dos uniones pn en seie, tal como se muesta en la Figua y Figua Un tansisto pesenta tes teminales paa su conexión al cicuito, uno po cada uno de los tipos de semiconducto pesentes en el mismo. El teminal coespondiente al semiconducto cental se denomina base del tansisto. Los otos dos teminales se denominan emiso y colecto, siendo la concentación de impuezas en el emiso mayo que en el colecto. El dopado del colecto es a su vez mayo que el dopado de la base. La base de un tansisto tiene un espeso muy pequeño, del oden de 0,025 mm siendo la longitud total del tansisto del oden de 4 mm. De esta foma, la sepaación ente las dos uniones pn es muy pequeña

17 Emiso Base Colecto Emiso Base Colecto P N P N P N Figua Tansisto pnp Figua Tansisto npn A pati de este momento vamos a estudia el tansisto pnp. Los esultados obtenidos seán análogos a los que obtendíamos en el supuesto de que el tansisto estudiado fuese de tipo npn, vaiando únicamente las consideaciones elativas al signo de las cagas de los potadoes y po lo tanto al sentido de las intensidades. Uniones p-n del tansisto no polaizadas Las dos uniones p-n del tansisto, cuando no están polaizadas, se compotan del mismo modo que las uniones p-n del diodo: apaece un gadiente de concentaciones en las zonas de unión que poduce un campo eléctico y una difeencia de potencial de contacto. En la Figua se apecia cuáles son las zonas de caga positiva y negativa, las diecciones del campo eléctico y la difeencia de potencial de contacto. p n p E E V V 0 Figua Tansisto pnp no polaizado Uniones p-n del tansisto polaizadas Paa polaiza las uniones p-n del tansisto son necesaias dos fuentes de alimentación. En el caso de situa los bones positivo de las fuentes de alimentación a los lados p de las uniones, polaización diecta paa ambas uniones, obtenemos un compotamiento análogo al de dos diodos en polaización diecta. Las dos zonas de tansición se hacen más estechas, y la difeencia de potencial de contacto se hace meno

18 E p n B p C E E V V 0 E + C = B Figua Tansisto pnp polaizado de modo diecto en las dos uniones pn Cuando polaizamos de foma invesa las dos uniones p-n, conectando los bones positivos de las fuentes de alimentación al lado n, y los negativos al lado p, tenemos una situación análoga a la que se obtendía paa dos diodos en polaización invesa. Las dos zonas de tansición se hacen más amplias, y la difeencia de potencial de contacto se hace mayo. p n p E E V V 0 E = C = B = 0 Figua Tansisto pnp polaizado de modo inveso en las dos uniones pn Tansisto polaizado en foma activa Cuando polaizamos una de las uniones p-n del tansisto en diecta, y la ota en invesa, decimos que el tansisto está polaizado en foma activa. En este caso, el compotamiento del tansisto es adicalmente difeente al de las dos uniones p-n independientes. p n p E E Figua Tansisto pnp polaizado de modo diecto y de modo inveso en cada unión pn (foma activa) 11-18

19 Si analizamos el movimiento de cagas en el inteio del tansisto (pnp) polaizado en foma activa, obsevamos la pesencia de los siguientes movimientos de cagas: 1. En la unión emiso base, polaizada en foma diecta, debido a la educción de la baea de potencial hay un tasvase de huecos que, po difusión, pasan del emiso a la base ( pb ), y un tasvase de electones que pasan de la base al emiso ( nb ). Ve Figua En la base hay un alto gadiente de concentaciones. Esto implica que habá una impotante coiente de difusión de huecos cuzando la base desde el emiso hacia el colecto. Estos huecos seán los povenientes del emiso indicados en el páafo anteio, pb. 3. La base, en el tansisto pnp, es un semiconducto tipo n, donde los electones son potadoes mayoitaios. Pate de los huecos povenientes del emiso se ecombinaán con electones de la base oiginando la apaición de una coiente de electones, BB, que entan en la base, povenientes del cicuito, paa cubi dichas ecombinaciones. 4. En la unión base colecto, polaizada en foma invesa, un campo eléctico favoable ecogeá los huecos que lleguen a la unión y los desplazaá hasta el colecto ( pb BB ). A tavés de esta unión, y po efecto del campo eléctico, habá a su vez una débil coiente de electones del colecto a la base, nc. (P) Emiso (N) Base (P) Colecto pb E C nb nc BB B Figua Distintas coientes en el tansisto En la Figua se muesta esquemáticamente el movimiento de cagas en el tansisto de unión pnp descito. Se ha indicado el sentido de las intensidades (sentido de movimiento de cagas positivas) y una indicación de su magnitud mediante la achua de la flecha. Podemos obseva que la pincipal caacteística es la pesencia de una fuete coiente de huecos de emiso a colecto. Si estudiamos las intensidades entantes en el tansisto (vamos a considea como citeio de signo de intensidades el considea positivas las intensidades entantes en el tansisto) obsevamos que: La coiente de emiso E esulta de considea la coiente de huecos que del emiso pasan a la base más la de electones que se incopoan al emiso povenientes de la base

20 La coiente de base B esulta de considea la coiente de electones que se incopoan al emiso desde la base, la que se intoduce en la base poveniente del colecto y la que esulta de la ecombinación de paes electón hueco en la base. La coiente del colecto C esulta de considea la coiente de huecos que se incopoan al colecto poveniente de la base y la débil coiente de electones que pasan del colecto a la base. La suma de las tes coientes seá siempe nula (1ª ley de Kichhoff). En numeosas ocasiones se podá supone, a efectos de cálculo, que el único movimiento de cagas existente en el tansisto es una coiente de huecos que lo ataviesa de emiso a colecto al apoxima a ceo el esto de intensidades. En este caso E = C = pb e B = 0. El estudio comentado anteiomente nos pemite intui que una de las pincipales caacteísticas de un tansisto es que divide al cicuito en dos pates, y que actuando sobe una de ellas (tensión emiso base) gobenamos la intensidad que intoducimos en la segunda (intensidad del colecto). Un tansisto pnp polaizado en foma activa e instalado en un cicuito de la foma indicada en la pate izquieda de la Figua 11-29, es un cuadipolo cuyo compotamiento puede modelizase tal como se muesta en la pate deecha de la Figua A la entada, el cuadipolo se compota como un diodo con la polaidad indicada, y a la salida como una fuente de intensidad ideal en la que el valo de la intensidad geneada depende de la tensión a la entada del cuadipolo. E C E C E C + V i V 0 B _ B _ V i C V 0 Figua Modelización del tansisto Con este modelo epoducimos un compotamiento idealizado del tansisto. Existen otos modelos pae esta y otas fomas distintas de conexión, peo su estudio se sale fuea de los objetivos del pesente cuso. El tansisto de unión como amplificado Supongamos un tansisto pnp conectado, tal como se muesta en la Figua Como ya hemos visto, el númeo de huecos que ataviesan la base vendá dado fundamentalmente po la facilidad que tengan estos huecos de atavesa la unión emiso base. Esta baea está contolada po la tensión emiso base, V EB, siendo, po tanto, éste el único paámeto exteno que contola el valo de la coiente de huecos que ataviesa el tansisto. Po ello, la intensidad de colecto, C, está gobenada po V EB

21 E P Emiso N Base P Colecto C B L Figua El tansisto como amplificado Si conectamos a la salida del colecto una esistencia L, la difeencia de potencial ente los teminales de esta esistencia seá: V AD = L C. Dado que la esistencia L es constante, cualquie vaiación de la intensidad de colecto afectaá a V AD según la elación: V AD = L C El valo de la intensidad de colecto, así como el de su vaiación, dependen del valo de la tensión emiso base y de cómo vaíe ésta. La elación ente ambos viene dada po la expesión (- C ) = g m V EB siendo g m un paámeto denominado tansconductancia y que depende del punto de funcionamiento del tansisto. Entonces, la vaiación de la tensión ente los teminales de la esistencia seá: V AD = L g m V EB Paa un mismo incemento de la tensión emiso base, el valo de la tensión en bones de la esistencia dependeá de L. Cuanto mayo sea L mayo seá V AD, pudiéndose obtene gandes aumentos de tensión especto a la tensión aplicada V EB. Se denomina facto de ganancia a la elación existente ente la vaiación de la tensión a la salida y a la entada del cicuito. En nuesto caso: VAD = L gm VEB Entonces si, po ejemplo, intoducimos una señal senoidal supepuesta a V ED, podemos obtene ente los teminales A y D una señal senoidal mucho mayo supepuesta a la tensión V AD. Habemos obtenido una amplificación de la señal intoducida Cuestiones y poblemas 1. Explica bevemente poque apaece una difeencia de potencial en una unión p n en cicuito abieto

22 2. Sea un diodo p n, polaizado como se indica en las figuas a) y b). ndica si las siguientes cantidades aumentan o disminuyen en cada caso, compaadas con sus valoes en la unión p n sin polaiza. P N P N a) b) a) b) Anchua de la zona de tansición Difeencia de potencial V en la zona de tansición Campo eléctico en la zona de tansición Sol: a) Disminuye. b) Aumenta. 3. En cuál o cuáles de los siguientes casos existe movimiento de cagas po difusión? Justifica la espuesta. a) Un conducto homogéneo conectado a una fuente de tensión. b) Un semiconducto homogéneo conectado a una fuente de tensión. c) Una unión PN (diodo) conectada en foma diecta a una fuente de tensión. Sol: en el caso c). 4. Calcula la coiente que cicula po el cicuito de la figua, utilizando las tes apoximaciones paa el diodo: 5 V a) Diodo ideal. b) Segunda apoximación. c) Tecea apoximación. La tensión de codo del diodo es de 0,7 V, y su esistencia de 0,23 Ω. 1 kω Sol: a) 5 ma. b) 4,3 ma. c) 4,299 ma 5. Calcula la coiente que cicula po la esistencia de 1 kω en el cicuito de la figua, suponiendo que una tensión de codo paa el diodo de 0,7 V, y esistencia de 0,23 Ω Sol: 1,1 ma. 12V 6 kω 3 kω 0,7V 0,23Ω 1kΩ 6. Calcula la coiente en los diodos de los tes cicuitos de la figua. Los diodos son de silicio (tensión umbal o de codo de 0,7 V). Qué valoes obtendías si los diodos fuean de gemanio (tensión umbal o de codo de 0,3 V)? 11-22

23 a) 2 kω b) c) 10V 70 kω 7V 35 kω 20V 10 kω 30 kω Sol: Diodos de silicio: a) 3,15 ma. b) 0,27 ma. c) 46,5 µa. Diodos de gemanio: a) 3,35 ma. b) 0,28 ma. c) 56,8 µa. 7. Calcula la coiente que cicula po el diodo de la figua, sabiendo que se tata de un diodo de Gemanio cuya tensión de codo o tensión umbal es de 0,3 V. Sol: 0,216 ma. 12V 30 kω 10 kω 5 kω 8. Dado el cicuito de la figua, con los valoes de la tensión de entada indicados, calcula la tensión de salida V S del cicuito y las intensidades de coiente que ciculan po los diodos. Los diodos D 1 y D 2 son de silicio con una tensión umbal de 0,7 V. V 1=10V V 2=0V D 1 D 2 V S Sol: V S = 9,3 V, 1 = 9,3 ma, 2 = 0. =1kΩ 9. Calcula la tensión de salida V s del cicuito paa los valoes de la tensión de entada de la figua. Los diodos D 1 y D 2 son de silicio con una tensión umbal de 0,7 V. V 1 =10V V 2 =0V D 1 D 2 V s =1kΩ 10V Sol: V s = 0,7 V

24 10. Calcula la tensión de salida V s del cicuito de la figua paa los siguientes valoes de la tensión de entada ( >> S ): a) V 1 = V 2 = 0. b) V 1 = V, V 2 = 0. c) V 1 = V 2 = V. V 1 V 2 s s V s Sol: a) V s = 0. b) V s V. c) V s V. 11. Dado el cicuito de la figua, calcula la tensión de salida, V s, paa la tensión de entada, V e, indicada en la figua. El diodo es de silicio. V e 15V V e V s 0 T 2 T t =2kΩ Sol: V s 14,3V 0 T/2 T 12. Dado el cicuito de la figua, calcula la tensión de salida, V s, paa la tensión de entada, V e, indicada en la figua. El diodo es de silicio. V e V s V e 20V =2kΩ 0 T 2 T t Sol: 11-24

25 V s 0 T 2 T 20-0,7=19,3V 13. Calcula la tensión de salida V s del cicuito de la figua, paa la tensión de entada V e indicada en la figua de la deecha. Los diodos son de gemanio. + V e 10V 2kΩ V e _ + _ 2kΩ V s 2kΩ 0 T T t 2 Sol: V s 4,85 V 0 T/2 T t 14. Dado el cicuito de la figua, calcula la tensión de salida, V s, paa la tensión de entada, V e, indicada en la figua. La tensión de entada se sitúa sobe los puntos A y B del cicuito, y la tensión de salida se toma sobe los puntos C y D. A V e D D 20V 2 1 V e C D 3 V s D 4 D 0 T 2 T t B Sol: 11-25

26 V s 18,6 V 0 T/2 T t GLOSAO Unión p-n. Zona de unión ente un semiconducto tipo p y uno tipo n. Potencial de contacto. Es la difeencia de potencial existente en la zona de tansición de una unión p n en equilibio o en cicuito abieto. Depende de la concentación de impuezas aceptoas, donadoas y de la concentación intínseca. Polaización diecta. En un diodo de unión p n, consiste en polaiza el semiconducto tipo p positivamente y el tipo n, negativamente. El diodo conduce. Polaización invesa. En un diodo de unión p n, consiste en polaiza el semiconducto tipo n positivamente y el tipo p, negativamente. El diodo no conduce. Coiente invesa de satuación. Débil coiente poducida po los potadoes minoitaios en una unión p n polaizada de modo inveso. Tensión umbal. Es la tensión a pati de la cual el diodo polaizado de modo diecto, conduce. Tansisto de unión. es un elemento que está compuesto po un semiconducto con tes tipos distintos de dopado, dos de tipo p y uno de tipo n (tansisto pnp) o dos de tipo n y uno de tipo p (tansisto npn), dispuesto en seie dando luga a dos uniones pn en seie. Bibliogafía específica obles, M. y otos, Física básica de semiconductoes (Paaninfo, Madid, 1993) Adle,. B.; Smith, A. C.; Longini,. C, ntoducción a la física de los semiconductoes. (eveté S.A. Bacelona 1981) 11-26

27 Boylestad, ; Nashelsky, L, Electónica: Teoía de Cicuitos (Pentice Hall, Mexico 1997) Gió y oca A., Canales M., ey, Sesé G, Tullàs J.: Física pe a estudiants d infomática. Edicions de la Univesitat Obeta de Catalunya J. Millman y A. Gable Micoelectónica, Editoial Hispano Euopea, S.A., Bacelona,