Dispositivos semiconductores 2da Clase

Transcripción

1 Introducción a la Electrónica Dispositivos semiconductores 2da Clase Semiconductores: Silicio Estructura ra cristalina La distribución espacial de los átomos dentro de un material determina sus propiedades. El silicio puede existir en tres formas diferentes Amorfo -> grafito Policristalino Cristalino -> diamante 09/09/2009 2

2 Semiconductores: Silicio Estructura ra cristalina Enlaces covalentes Átomo de silicio 09/09/ Semiconductores: Silicio Portadores Cuando un enlace de Si-Si es roto, el electrón asociado es un portador de corriente. Equivalentemente, la excitación de un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción crea portadores -> Electrones en la banda de conducción son portadores Sin portadores electrón laguna Remover un electrón de la banda de valencia crea un estado vacío. Este estado vacío, es un segundo tipo de portadores denominado lagunas Electrones y lagunas son portadores en los semiconductores 09/09/2009 4

3 Semiconductores: Silicio Generación de pares electrones-lagunaslag nas Concentración de electrones intrínseco Concentración de lagunas A elevar la temperatura algunos enlaces covalentes son rotos, y los electrones asociados al enlace son libres de desplazarse bajo la influencia de un campo eléctrico externo. Simultáneamente, la ruptura del enlace, deja una carga positiva neta en la estructura de valencia -> lagunas Corriente en un semiconductor Movilidad de los electrones Movilidad de las lagunas 09/09/ Semiconductores: Silicio Circulación de corriente en un semiconductorctor 09/09/2009 6

4 Silicio con dopaje El agregado de un pequeño porcentaje de átomos foráneos en la estructura cristalina del silicio produce importantes cambios en sus propiedades eléctricas. Material tipo N: Dopantes con valencia +5 son utilizados. 4 electrones de la banda de valencia forman enlaces covalentes con los átomos vecinos de silicio. i El electrón restante esta débilmente ligado al átomo de impureza, actuando como un electrón libre. Impurezas donoras: donan un electrón a la banda de conducción. Fósforo, arsénico, antimonio 09/09/ Silicio Tipo N Conductividad id d Concentración de átomos donores 09/09/2009 8

5 Silicio Tipo P TIPO P Dopantes con valencia +3 son empleados: Boro, Galio, Indio. Para completar el enlace covalente con átomos de silicio, un electrón es atraído de la banda de valencia dejando una laguna. impureza aceptora: acepta un electrón de la banda de valencia 09/09/ Semiconductores Terminología Semiconductor intrínseco: semiconductor sin el agregado g de impurezas Donor: Átomos de impurezas que incrementan la concentración de electrones Aceptor Átomos de impurezas que incrementan la concentración de lagunas Portadores mayoritarios: Los portadores mas abundantes en un semiconductor. Electrones en material tipo N y lagunas en material tipo P. Portadores minoritarios: Los portadores menos abundantes en un semiconductor. Electrones en material tipo P y lagunas en material tipo N 09/09/

6 Juntura P-N La concentración de átomos donores es mayor que la de aceptores aislados A temperatura ambiente, Cada electrón de los átomos donores tiene suficiente energía para escapar de su átomo y puede desplazarse libremente. Los átomos aceptores han adquirido un electrón de la banda de valencia, dejando lagunas que circulan libremente 09/09/ Juntura P-N en equilibrio 09/09/

7 Juntura P-N en equilibrio Un diodo de juntura consiste de un material Semiconductor tipo P en contacto con un material N. Consideraciones Region P N_A atomos aceptores Region N N_D atomos donores N_D>N_A No existe potencial externo aplicado Región N: Los electrones cercanos a la juntura se difunden desde la región con alta concentración de electrones (región N) a la región con baja concentración de electrones (region P). Región P: Las lagunas se difunden hacia la región N. Electrones Lagunas 09/09/ Juntura P-N en equilibrio Los electrones que se difunden a la región P dejan átomos ionizados + en el lado N. Las lagunas dejan átomos ionizados en la región P. Densidad de carga Campo eléctrico potencial Región de depleción : capa de iones sin neutralizar El campo eléctrico desplaza los electrones fuera de la región de depleción Corriente de desplazamiento EQUILIBRIO : otros electrones de la región N no pueden migrar hacia la región P porque Corriente de Corriente de son repelidos por los iones negativos de difusión desplazamiento la región P y atraídos por los iones negativos N P = N P de la región N 09/09/

8 Juntura PN en equilibrio Campo eléctrico Una barrera de potencial es generada para mantener el equilibrio potencial Potencial de contacto Concentración de portadores Representa la barrera de potencial que debe ser sobrepasada para que un portador de carga se difunda a través de la juntura Niveles de energía 09/09/ Juntura PN polarización directa Al ser polarizada directamente t la juntura PN, el potencial de juntura disminuye. Los electrones se difunden hacia la región P y las lagunas hacia la región N Corriente de difusión Corriente de desplazamiento La corriente de difusión es la dominante 09/09/

9 Juntura PN polarización inversa La barrera de potencial aumenta. El campo electrico se intensifica. La capa de depleción se ensancha. La corriente de difusión se hace cercana a cero Corriente de difusión Corriente de desplazamiento 09/09/ Juntura PN EQUILIBRIO Polarización directa Polarización inversa 09/09/