Introducción a la Electrónica de Dispositivos

Transcripción

1 Universidad de Oviedo Área de Tecnología Electrónica Introducción a la Electrónica de Dispositivos Materiales semiconductores La unión PN y los diodos semiconductores Transistores Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas ATEUO PN

2 Germanio tipo P Germanio Al Al Aceptador Al Al Al Germanio tipo N Al Al Al Al Germanio Al electrón hueco Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Donador Ambos son neutros Compensación de de cargas e iones ATEUO PN 1

3 Unión PN Germanio tipo P Germanio tipo N Al Al Al Al Al Al Sb Sb Sb Sb Sb Sb Barrera que impide la difusión Germanio tipo P Germanio tipo N Al Al Al Al Al Al Sb Sb Sb Sb Sb Sb Se Se produce difusión de de huecos de de la la zona P en en la la zona N y viceversa ATEUO PN 2

4 Zonas de la unión PN Al Al Al Al Al Al Zona P NEUTRA (huecos compensados con iones ) Sb Sb Sb Sb Sb Sb Zona N NEUTRA (electrones compensados con iones ) Zona de Transición Existe carga espacial y no existen casi portadores P Zona P Muchos Muchos huecos huecos y neutra neutra V O N Zona N Muchos Muchos electrones electrones y neutra neutra ATEUO PN 3

5 Equilibrio en la unión PN (I) MUY IMPORTANTE: Se Se difunden todos todos los los huecos de de la la zona zona P en en la la zona zona N y viceversa? No, No, ya ya que que la la carga carga espacial presente en en la la zona zona de de transición lo lo impide. SE SE LLEGA A UN UN EQUILIBRIO P por campo por difusión por difusión por campo N j p campo j p difusión j n campo } j n difusión } Se compensan Se compensan ATEUO PN 4

6 Equilibrio en la unión PN (II) p P p N jj p campo = campo = jj p difusión difusión V O =V =V T ln(p P /p /p N ) ) n P jj n campo = campo jj n difusión V difusión O =V =V T ln(n N /n /n P ) ) n N ATEUO PN 5

7 Variables la unión PN en equilibrio P Densidad de carga V O ρ(x) N x Campo eléctrico E(x) x Tensión V U (x) E maxo V O x ATEUO PN 6

8 Unión abrupta e hipótesis de vaciamiento P N Situación real ρ(x) q N D x q N A E(x) x E maxo Se admite que: Hay cambio brusco de zona P a zona N No hay portadores en la zona de transición ATEUO PN 7

9 Unión PN en equilibrio con N A <N D (I) Zona P Unión Zona N Al Al Al Al Al Al Al Al Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb N A L ZTPO L ZTNO N D L ZTO La neutralidad de la la carga total en la la zona de transición exige: N A A L ZTPO = N D D L ZTNO ATEUO PN 8

10 Unión PN en equilibrio con N A <N D (II) P Áreas iguales V O ρ(x) N x E(x) x E maxo V U (x) V O x ATEUO PN 9

11 Ecuaciones en equilibrio (sin polarizar) (I) Equilibrio difusióncampo en la zona de transición: V O =V T ln(p P /p N ) V T =k T/q, 26mV a 3ºK Neutralidad neta entre ambas partes de la zona de transición: N A L ZTPO = N D L ZTNO Teorema de Gauss en la zona de transición ( E(x)=ρ(x) ): E(x)=(L ZTPO x) q N A /ε (zona P) E(x)=(L ZTNO x) q N D /ε (zona N) E maxo =L ZTNO q N D /ε =L ZTPO q N A /ε Definición de diferencia de potencial ( E(x)= V ): V O =q (L 2 ZTPO N A L2ZTNO N D )/(2 ε) ATEUO PN 1

12 Ecuaciones en equilibrio (sin polarizar) (II) Partiendo de : V O =q (L 2 ZTPO N A L2ZTNO N D )/(2 ε) N A L ZTPO = N D L ZTNO L ZTO =L ZTPO L ZTNO se obtiene: V O =q L 2 ZTO N A N D /(2 ε (N A N D )) y con las ecuaciones: V O =V T ln(p P /p N ) p P =N A p P n P =n 2 i n N =N D n N p N =n 2 i se obtiene: V O =V T ln(n A N D /n i2 ) L ZTO = 2 ε (N A N D ) V T ln(n A N D /n i2 ) q N A N D ATEUO PN 11

13 Ancho de la zona de transición en equilibrio (sin polarizar) L ZTO = 2 ε (N A N D ) V T ln(n A N D /n i2 ) q N A N D L ZTPO = N D L ZTO /(N A N D ) L ZTNO = N A L ZTO /(N A N D ) La función L ZTO (N ZTO (N A,N,N D ) ) es es decreciente, por lo lo que grandes dopados generan pequeñas zonas de de transición. Si el el dopado en en ambas zonas es es muy distinto, la la zona de de transición en en la la zona muy dopada es es pequeña y la la zona de de transición en en la la zona poco dopada es es grande. ATEUO PN 12

14 Campo eléctrico máximo en la zona de transición en equilibrio (sin polarizar) Partiendo de : E maxo =L ZTNO q N D /ε L ZTNO =N A L ZTO (N A N D ) se obtiene: E maxo =q L ZTO N D N A /((N A N D ) ε) y con la ecuación: V O =q L 2 ZTO N A N D /(2 ε (N A N D )) se obtiene: E maxo = 2 q N A N D V O ε (N A N D ) ATEUO PN 13

15 La unión PN polarizada P N V mp V V Nm i= O V = V mp V Nm = V O Baja resistividad: V P = Baja resistividad: V N = P N V mp V U V Nm i V V = V mp mp V U V Nm Nm = V O V U Luego: V U = V O V ATEUO PN 14

16 La unión PN polarizada directamente ( a P, a N) P N V O V V ρ(x) x E(x) x E max E maxo V U (x) V O V V O x Zona de transición más estrecha y campo eléctrico menos intenso ATEUO PN 15

17 La unión PN polarizada inversamente ( a P, a N) P N V O V V ρ(x) x E(x) x E maxo V U (x) E max V O V O V x ATEUO PN 16

18 Conclusiones parciales (I): Polarización directa: Disminuye la tensión interna que frena la difusión Disminuye el campo eléctrico en la zona de transición Disminuye el ancho de la zona de transición Polarización inversa: Aumenta la tensión interna que frena la difusión Aumenta el campo eléctrico en la zona de transición Aumenta el ancho de la zona de transición ATEUO PN 17

19 Cálculo de las variables eléctricas V P N Tensiones normalizadas: V> Polarización directa V< Polarización inversa Regla general ( válida para V<V O ): ): Sustituir V O por V O V NOTA: la ecuación de equilibrio de corrientes de difusión y campo en la zona de transición se considera válida aunque la corriente neta no sea nula. ATEUO PN 18

20 Ecuaciones de la unión PN Sin polarizar V O =V T ln(p P /p N ) L ZTO = E maxo = 2 ε (N A N D ) V O q N A N D 2 q N A N D V O ε (N A N D ) Con polarización V O V O V p N p N () (p N (x) varía en las zonas neutras) p P p P (no varía) V O V = V T ln(p P /p N ()) L ZT = E max = 2 ε (N A N D ) (V O V) q N A N D 2 q N A N D (V O V) ε (N A N D ) ATEUO PN 19

21 Ejemplo 1: unión de Germanio Datos del Ge a 3ºK D p =5 cm 2 /s D n =1 cm 2 /s µ p =19 cm 2 /V s µ n =39 cm 2 /V s ε r =16 n i = port/cm 2 N A =1 16 átm/cm 2 τ p =1 µs L p =.22 mm N D =1 16 átm/cm 2 τ n =1 µs L n =.32 mm V O =.31 V P N.313µm varios mm Portad./cm p P n P 1µm n N p N 1µm ATEUO PN 2

22 Concentraciones con polarización directa P V=18mV N Portad./cm p P n P n N p N Escala logarítmica Portad./cm p P n P n N p N Escala lineal Portad./cm n P Escala lineal (sólo minoritarios) p N Longitud [mm] ATEUO PN 21

23 Exceso de concentración de minoritarios con polarización directa V=18mV P Unión N Portad./cm 3 Portad./cm p P n P n N p N n P p N Escala logarítmica Escala lineal (sólo minoritarios) Importante aumento de de minoritarios en en los bordes externos de de la la zona de de transición ATEUO PN 22

24 Concentraciones con polarización inversa V=18mV P N Portad./cm p P n P n N p N Escala logarítmica Portad./cm [mm] n P p N Escala lineal (sólo minoritarios) Disminución de de minoritarios en en los bordes externos de de la la zona de de transición ATEUO PN 23

25 Concentraciones de portadores en las tres situaciones Unión Portad./cm p P n P n N p N Sin polarizar Portad./cm p P n P n N p N V=18mV (pol. directa) Portad./cm p P n P n N p N V=18mV (pol. inversa) Longitud [mm] ATEUO PN 24

26 Ancho de la zona de transición (I) Sin polarizar P varios mm N.313µm Portad./cm p P n P 1µm n N p N 1µm V=18mV (pol. directa) P V=18mV N.215µm Portad./cm p P n P 1µm p N n N 1µm Se Se estrecha en en polarización directa ATEUO PN 25

27 Ancho de la zona de transición (II) Sin polarizar P varios mm N.313µm Portad./cm p P n P 1 4 1µm n N p N 1µm V=18mV (pol. inversa) 18mV P N.416µm Portad./cm p P n P 1 4 1µm n N p N 1µm ATEUO PN 26

28 Ancho de la zona de transición (III) V=4mV (pol. inversa) 4mV P N.5µm Portad./cm p P n P 1 4 1µm n N p N 1µm Se Se ensancha en en polarización inversa Ecuación del ancho de la zona de transición 2 ε (N A N D ) (V O V) L ZT = q N A N D ATEUO PN 27

29 Concentraciones de minoritarios con ambas polarizaciones (I) V=18mV (pol. directa) Unión Portad./cm n P p N V=18mV (pol. inversa) Portad./cm n P p N El El gradiente de de la la concentración de de minoritarios es es grande en en polarización directa y muy pequeño en en inversa. Sin embargo, se se ve ve mal en en esta escala. ATEUO PN 28

30 Concentraciones de minoritarios con ambas polarizaciones (II): Escala lineal Gradiente grande Portad./cm Zona P V=18mV (pol. directa) n P Zona N p N V=18mV (pol. inversa) Gradiente pequeño ATEUO PN 29

31 Conclusiones parciales (II): Polarización directa: Aumenta mucho la concentración de minoritarios en los bordes externos de la zona de transición El gradiente de dicha concentración es muy grande Polarización inversa: Disminuye la concentración de minoritarios en los bordes externos de la zona de transición El gradiente de dicha concentración es muy pequeño ATEUO PN 3

32 Corriente de huecos en zona N V=18mV P µm N Portad./cm p N Conocida la concentración de minoritarios, se calcula la corriente debida a esos minoritarios Densidad de corriente [ma/cm 2 ] 4 2 j pn Longitud [mm] ATEUO PN 31

33 Corriente de electrones en la zona P V=18mV Portad./cm P n P N.215µm Densidad de corriente [ma/cm 2 ] 4 2 j np Longitud [mm] Lo mismo que en el el caso anterior ATEUO PN 32

34 Cálculo de la corriente total (I) Densidad de corriente [ma/cm 2 ] 4 2 P j np V=18mV N j pn Longitud [mm] Qué pasa en la zona de transición? Densidad de corriente [ma/cm 2 ] 4 2 j np j pn Longitud [mm] Al Al no no haber recombinaciones en en la la zona de de transición, no no se se modifican las corrientes ATEUO PN 33

35 Cálculo de la corriente total (II) Densidad de corriente [ma/cm 2 ] 4 2 P j np () j np V=18mV N j pn () j pn En la la zona de de transición: jj Total = Total jj np () np () jj pn () pn () En el el resto del cristal: Lo Lo mismo 8 Densidad de corriente [ma/cm 2 ] j Total j np j np () j pn () j pn ATEUO PN 34

36 1ª 1ª conclusión importantísima: Basta conocer la la concentración de de los minoritarios en en los bordes de de la la zona de de transición para conocer la la corriente total. 2ª conclusión importantísima: Polarización directa: El gradiente de dicha concentración es muy grande! Corriente total muy grande Polarización inversa: El gradiente de dicha concentración es muy pequeño! Corriente total muy pequeña ATEUO PN 35

37 Cálculo de la corriente debida a los mayoritarios j Total 8 P V=18mV N Densidad de corriente [ma/cm 2 ] 6 4 j Total 2 j np j pp j nn j pn jj pp = pp jj Total Total jj np np jj nn = nn jj Total Total jj pn pn Densidad de corriente [ma/cm 2 ] j pp j np j Total j nn j pn Longitud [mm] ATEUO PN 36

38 Todas las corrientes Densidad de corriente [ma/cm 2 ] j Total P j np 18mV N j j Total pp j nn V=18mV j pn (pol. directa) Longitud [mm] Densidad de corriente [ma/cm 2 ] j Total P j np 18mV j pn N V=18mV j j nn (pol. inversa) pp jtotal Longitud [mm] Diferencia de de 1 a 1 al al pasar de de 18mV a 18mV ATEUO PN 37

39 Cálculo de la corriente en función de la tensión (I) 1 1 Se Se calcula el el salto de de concentración de de cada tipo de de portador de de un un extremo al al otro de de la la zona de de transición. 2 2 Se Se calcula el el exceso de de minoritarios en en los bordes externos de de la la zona de de transición. 3 3 Se Se calcula la la distribución exponencial de de los minoritarios al al lo lo largo de de las zonas neutras. 4 4 Se Se calcula el el gradiente de de dicha concentración justo en en los bordes de de la la zona de de transición. 5 5 Se Se calculan las corrientes de de minoritarios en en los bordes de de la la zona de de transición (corriente de de huecos en en el el borde de de la la zona N y de de electrones en en el el borde de de la la zona P). 6 6 La La suma de de las dos corrientes anteriores es es la la corriente total. ATEUO PN 38

40 Cálculo de la corriente en función de la tensión (II) 1 16 p P Portad./cm p N () p N (x) p N ( ) Longitud [mm] 1 Salto de concentraciones V O = V T ln(p P /p N ( )) V O V = V T ln(p P /p N ()) 2 Exceso de minoritarios en el borde V = V T ln(p N () /p N ( )) ATEUO PN 39

41 Cálculo de la corriente en función de la tensión (III) 3 Distribución de los minoritarios p N (x) = p N ( )(p N () p N ( )) e x/l p 4 Gradiente en los bordes p N (x)= (p N () p N ( )) e x/l p L p [ p N(x)] = (p N () pn( )) L p 5 Corrientes de minoritarios j pn ()=q D p (p N() p N ( )) L p j np ()=q D n (n P() n P ( )) L n ATEUO PN 4

42 Cálculo de la corriente en función de la tensión (IV) 6Corriente total i=a j Total =A (j pn () j np ()) De la ecuación del apartado #2: p N () p N ( )=p N ( ) (e V/V T1) n P () n P ( )=n P ( ) (e V/V T1) Sustituyendo, queda: Ecuación característica de una unión PN: i=i S (e V/V T1) I S =A q (D p p N ( )/L p D n n P ( )/L n ) p N ( )=n i2 /N D n P ( )=n i2 /N A ATEUO PN 41

43 Ecuación característica de una unión PN Resumen: qv i= I ( ekt 1) S donde: D I = qan 2 p S i L p N D D n L n N A Polarización directa qv i I ekt S (dependencia exponencial) Polarización inversa i I S Corriente inversa de saturación (constante) ATEUO PN 42

44 Curva característica a diferentes escalas (I) Sin efectos adicionales 1 i [ma] V P N i V [Volt.] Efecto de la resistencia de las zonas neutras 3 i [ma] i [ma] V [Volt.] Comportamiento casi ideal 2 5 V [Volt.] ATEUO PN 43

45 Curva característica a diferentes escalas (II) Sin efectos adicionales.5 i [µa] V [Volt.] V P N i 4.8 i [µa] V [Volt.] Generación en la zona de transición 2 Ruptura por avalancha 6 i [µa] V [Volt.] 2 ATEUO PN 44

46 Diodo semiconductor (I) Diodo de señal Terminales Ánodo P N Cátodo Terminales ATEUO PN 45

47 Diodo semiconductor (II) Diodo ideal i V V i Con polarización directa, un un corto circuito. Con polarización inversa, un un circuito abierto. Curva característica asintótica i pend.=1/r d V γ V Circuito equivalente asintótico ideal real r d V γ ATEUO PN 46

48 Ruptura por avalancha (I) 6 V Z i [µa] V [Volt.] V P N i 2 A qué se debe este efecto? Se debe a una fuerte generación de portadores en la zona de transición (donde teóricamente casi no hay) debido a una de estas dos causas, ligadas a que la intensidad de campo eléctrico alcance un valor suficientemente grande: Multiplicación por avalancha Ruptura Zener ATEUO PN 47

49 Ruptura por avalancha (II) Multiplicación por avalancha Mecanismo: El campo eléctrico acelera los portadores que atraviesan la zona de transición. Algunos chocan y generan más portadores. Si el campo es suficientemente intenso, los nuevos portadores vuelven a chocar y vuelven a generar más portadores. Se produce una reacción en cadena que genera muchísimos portadores (una fuerte corriente). Es el mecanismo típico si V Z >6.5V. El coeficiente térmico es positivo. El campo eléctrico E aval al que se produce es V/cm, que se relaciona con la tensión por la expresión: E aval = 2 q N A N D (V O V) ε (N A N D ) El dopado más débil controla el fenómeno de avalancha. Cuanto más débil es, a mayor tensión se produce. ATEUO PN 48

50 Ruptura por avalancha (III) Ruptura Zener El campo eléctrico es suficientemente intenso como para romper directamente enlaces. Es el mecanismo típico si V Z <4.5V. El coeficiente térmico es negativo. La multiplicación por avalancha y ruptura Zener conviven a veces. El campo eléctrico E aval al que se produce es del orden de 1 6 V/cm. Ambos dopados deben ser muy intensos ( átom/cm 3 ). En la práctica, ambos fenómenos se confunden y ambos nombres se usan indistintamente. Se habla de zona zener y de tensión zener y de zona de avalancha y de tensión de avalancha ATEUO PN 49

51 Diodos zener (I) Son diodos diseñados para trabajar en zona zener Símbolo V Curva característica i i pend.=1/r d V Z V pendiente=1/r Z V γ Circuito equivalente asintótico ideal V γ r d r Z V Z ideal ATEUO PN 5

52 Diodos zener (II) Curva característica del zener ideal i V Z V Circuito equivalente ideal ideal V Z ideal Circuito estabilizador con zener R S V B R V Z V R V Z ATEUO PN 51

53 Efectos térmicos sobre la unión (I) Polarización inversa i I S D I = qan 2 p S i L p N D E 3 G n = K T2 e 2kT i 1 D n L n N A La La corriente I S I depende S fuertemente de de T (se (se dobla cada 1ºC) Polarización directa qv i I ekt S Decrece con T Crece con T La La corriente i i aumenta con con T (prevalece la la tendencia de de I S I ) S ) ATEUO PN 52

54 Efectos térmicos sobre la unión (II) Polarización directa 3 i [ma] 37ºC 27ºC V [Volt.].3 V P N i Polarización inversa.25 i [µa] V [Volt.] 27ºC 37ºC 2 En ambos caso, para la la misma tensión, la la corriente aumenta con la la temperatura ATEUO PN 53

55 Ejemplo 2: unión de Silicio Datos del Si a 3ºK D p =12.5 cm 2 /s D n =35 cm 2 /s µ p =48 cm 2 /V s µ n =135 cm 2 /V s ε r =11.8 n i =1 1 port/cm 2 N A =1 15 átm/cm 2 τ p =1 ns L p =.1 mm N D =1 15 átm/cm 2 τ n =1 ns L n =.2 mm V O =.596 V Datos del Ejemplo 1 (Ge) D p =5 cm 2 /s D n =1 cm 2 /s µ p =19 cm 2 /V s µ n =39 cm 2 /V s ε r =16 n i = port/cm 2 N A =1 16 átm/cm 2 τ p =1 µs L p =.22 mm V O =.31 V N D =1 16 átm/cm 2 τ n =1 µs L n =.32 mm ATEUO PN 54

56 Ejemplo 2 (Si) con V=.48 (i=544µa) Portad./cm p P n P n N p N Longitud [mm] Ejemplo 1 (Ge) con V=.18 (i=566µa) Portad./cm p P n P n N p N Longitud [mm] ATEUO PN 55

57 V P N i Comparación Ge/Si: curvas características 1 i [ma] Ge Si V [Volt.] i [ma] Ge Si 4 1 i [µa] V [Volt.] V [Volt.] i [pa] V [Volt.].5.5 Ge.8 Si 1 Ge: mejor en en conducción Si: mejor en en bloqueo ATEUO PN 56

58 Efectos dinámicos Al cambiar las condiciones de polarización, cambia al instante la conducción? No, ya ya que la la conducción está ligada a la la concentración de de portadores de de carga en en los bordes externos de de la la zona de de transición y al al ancho de de la la zona de de transición, siendo en en ambos casos necesario crear, destruir o mover portadores de de carga, lo lo que requiere tiempo. Se caracterizan como: Capacidades parásitas (aplicaciones lineales). Tiempos de conmutación (en conmutación). ATEUO PN 57

59 Capacidades parásitas (I) Capacidad de transición (I) dominante con polarización inversa P N V O V V V V ρ(x) x Al producirse V, hay que extraer portadores de carga para generar esta carga espacial ATEUO PN 58

60 Capacidades parásitas (II) Capacidad de transición (II) Unión PN P Con V V Con V N P N Condensador Con V Con V V Condensador: nuevas cargas a la la misma distancia (C=cte.) Unión PN: nuevas cargas a distinta distancia (C (C cte.) ATEUO PN 59

61 Capacidades parásitas (III) Capacidad de transición (III) ρ(x) dq dq Partiendo de : L ZT C trans =dq/dv=ε A/L ZT 2 ε (N A N D ) (V O V) L ZT = q N A N D Se obtiene: ε q N A N D C trans = A 2 (N A N D ) (V O V) Es Es una función del tipo K (V O V) 1/2 1/2 C trans V ATEUO PN 6

62 Capacidades parásitas (IV) Capacidad de transición (IV) Los diodos varicap o varactores son diodos que se utilizan como condensadores variables controlados por por tensión. Se basan en la capacidad de transición de una unión PN polarizada inversamente. Se utilizan frecuentemente en electrónica de comunicaciones para realizar moduladores de frecuencia, control automático de sintonía, etc. Símbolo Se usa polarizado inversamente ATEUO PN 61

63 Capacidades parásitas (V) Capacidad de difusión (I) dominante con polarización directa C trans V Polarización inversa Polarización directa En polarización directa, C trans crece mucho. Sin embargo, carece de importancia porque aparece otro efecto capacitivo: La capacidad de difusión. Esta capacidad está ligada a la concentración de minoritarios en los bordes externos de la zona de transición. ATEUO PN 62

64 Capacidades parásitas (VI) Capacidad de difusión (II) Portad./cm n P p P V=18mV n N V=24mV p N Longitud [mm] Incremento de concentración de minoritarios debido al aumento de 6mV. Al Al incrementar la la tensión tiene que producirse un un aumento de de concentración de de minoritarios, que tarda tiempo en en producirse, lo lo que se se asocia a la la llamada capacidad de difusión ATEUO PN 63

65 Tiempos de conmutación (I) Transición de a a b (apagado), en una escala amplia (ms o s). a R b V 1 V 2 i V 1 /R V i V t t V 2 Comportamiento dinámicamente ideal ATEUO PN 64

66 Tiempos de conmutación (II) Transición de a a b (apagado), en una escala detallada (µs o ns). i V 1 /R t rr t V 2 /R t t 1 t 2 V t S t f (i=.1 V 2 /R) t t S = t. almacenamiento t rr = t. recuperación inv Portad./cm t 2 n P t 1 p N t S t 1 1 Longitud [mm] ATEUO PN 65

67 Tiempos de conmutación (III) Transición de b a a (encendido) Portad./cm t a t d n P p N t 3 =t d t r t 2 t Longitud [mm].9 V 1 /R.1 V 1 /R i t d = tiempo de retraso t r = tiempo de subida t t d t r En los diodos de de señal, el el proceso de de encendido es es más rápido que el el apagado. ATEUO PN 66

68 Contactos metalsemiconductor (I) Existen 4 posibilidades dependiendo de la naturaleza del metal y del semiconductor (de la función de trabajo del metal y del semiconductor): 1. El semiconductor N cede electrones al metal Metal Zona N N 2. El semiconductor P roba electrones al metal Metal Zona P P En ambos casos se se crea una zona de transición en en el el semiconductor ATEUO PN 67

69 Contactos metalsemiconductor (II) 3. El semiconductor N roba electrones al metal Metal Zona N N 4. El semiconductor P cede electrones al metal Metal Zona P P En ambos casos no no se se crea una zona de de transición en en el el semiconductor. Hay una especie de de zona de de transición en en el el metal que es es extremadamente estrecha y que los portadores atraviesan por efecto túnel. ATEUO PN 68

70 Contactos metalsemiconductor (III) Los Los casos 1 y 2 dan dan origen a un un comportamiento de de tipo tipo unión semiconductora (existe barrera de de potencial que que evita la la difusión y cuya altura se se controla con con la la tensión exterior aplicada), dando origen a los los diodos Schottky. Los Los casos 3 y 4 dan dan origen a contactos óhmicos (no (no rectificadores). Diodos Schottky Menor caída de tensión en conducción que un diodo de unión. Mayor rapidez de conmutación (los minoritarios no intervienen en la conducción). Mayor corriente inversa. Menor tensión inversa máxima. Símbolo ATEUO PN 69

71 Unión dopada asimétricamente (I) (Unión P N ) Efecto conocido ya: la zona de transición en la zona P es mucho más estrecha que en la zona N. Análisis a realizar: qué ocurre con las componentes de corriente de huecos y de electrones? N A =1 15 átm/cm 2 τ p =1 ns L p =.1 mm Unión de Si P N N D =1 13 átm/cm 2 τ n =1 ns L n =.2 mm V O =.477 V Portad./cm V=.3, escala logarítmica p P 1 8 n P Longitud [mm] p N n N ATEUO PN 7

72 Unión dopada asimétricamente (II) (Unión P N ) V=.3, escala lineal con mayoritarios y minoritarios (no se aprecia la variación en la concentración de los minoritarios). Portad./cm p P n P n N Unión p N Longitud [mm] V=.3, escala lineal con sólo minoritarios. Se aprecia la gran diferencia en los valores de los gradientes. Portad./cm Unión Gradiente muy pequeño n P Gradiente muy grande p N Longitud [mm] ATEUO PN 71

73 Unión dopada asimétricamente (III) Calculamos las densidades de corriente de cada tipo de portador. Densidad de corriente [A/cm 2 ] j p j n Zona P Zona N Longitud [mm] Densidad de corriente [A/cm 2 ] Zona P j n j p j Total Unión Zona N Longitud [µm] La La corriente que que atraviesa la la unión se se debe fundamentalmente al al mayoritario de de la la zona muy dopada ATEUO PN 72

74 Efectos ópticos en la unión PN (I) La unión PN puede: Ser sensible a la luz fotodiodos y células solares Emitir luz Diodos Emisores de Luz (LED) Fotodiodos y c. solares (I) P N Portad./cm n P Difus. Campo Difus. p N i opt La La luz luz genera pares electrónhueco que que originan una una corriente ii opt que opt que se se suma a la la de de equilibrio térmico ATEUO PN 73

75 Efectos ópticos en la unión PN (II) Fotodiodos y células solares(ii) T 1 T 2 >T 1 i V i V i opt Comparación del efecto del aumento de temperatura y de la aplicación de luz sobre una unión PN polarizada inversamente i V Uso como fotodiodo Uso como célula solar Los fotodiodos sirven para detectar y medir luz Símbolo ATEUO PN 74

76 Efectos ópticos en la unión PN (III) Fotodiodos y células solares(iii) V i i V CA V i CC P max Se comporta como generador al al estar en el el segundo cuadrante Paneles de células solares ATEUO PN 75

77 Efectos ópticos en la unión PN (IV) Diodos Emisores de Luz (I) Recombinaciones Portad./cm Zona P n P p N Zona N 1 1 Longitud [mm] En En el el Ge y en en el el Si Si las las recombinaciones producen calor. En En compuestos IIIV pueden producir radiación luminosa. Compuestos Ga Ga As As 1x P 1x x ( x ( siendo <x<1) sirven para generar radiación desde el el infrarrojo (Ga (Ga As, As, 1.43eV) al al verde (GaP, 2.26eV). Con Con x=.4 es es rojo rojo (1.9eV). ATEUO PN 76

78 Efectos ópticos en la unión PN (V) Diodos Emisores de Luz(II) A K Símbolo A Diodo LED K Display de 7 segmentos Numeración de los 8 segmentos e f d a g b c p.d. Indicador de displays de 7 segmentos ATEUO PN 77

79 Nivel de inyección Hasta ahora hemos considerado que n N ( )>> p N ( ), lo que se llama bajo nivel de inyección. Portad./cm p P n P p N ( ) n N ( ) n N p N Portad./cm Alto nivel de inyección. p P n P p N ( ) n N ( ) Longitud [mm] n N p N.3 En En una una unión unión dopada asimétricamente (P (P N ) ) muy muy polarizada directamente, la la concentración de de los los mayoritarios de de la la zona zona poco poco dopada (electrones) llega llega a aumentar con con respecto al al equilibrio, aumentando su su conductividad (modulación de de la la conductividad) ATEUO PN 78

80 Uniones PN de potencia P N N V O V Zona poco dopada para soportar mucha tensión inversa, según la fórmula: V inv max = E2 aval ε (N A N D ) 2 q N A N D La La resistencia en en conducción se se reduce por modulación de de la la conductividad (aumento en en la la concentración de de mayoritarios por alta inyección desde P y N )) ATEUO PN 79

81 Diodo de potencia Ánodo p n n Cátodo Diodos de de tres capas Mayor sección Problemas de de velocidad Problemas térmicos ATEUO PN 8