INDICE 1. Semiconductor intrínseco 2. Conducción por huecos (h + ) y electrones (e - ) 3. Semiconductor extrínseco: material tipo N (MTN) y tipo P (MTP) 4. Deriva y difusión de portadores 5. La unión P-N: polarización inversa (PI) y polarización directa (PD) 6. Comportamiento de la unión P-N en altas frecuencias: Capacidad de Transición (C j ) y Capacidad de Difusión (C dif ). 1
GENERALIDADES Tipos de materiales: A) Conductor B) Aislante C) Semiconductor Tipos de semiconductores: A) Intrínseco: origen natural B) Extrínseco: origen antropológico Tipos de semiconductores extrínsecos: A) Tipo N: donante de e - B) Tipo P: donante de h + Corrientes en un semiconductor: A) Producida por e - Corriente total B) Producida por h + Corrientes en la unión P-N A) Sin polarizar: deriva y difusión B) Polarizada: PD y PI Capacidades en la unión P-N A) Capacidad de transición B) Capacidad de difusión 2
SEMICONDUCTOR INTRINSECO Materiales: Si, Ge, GaAs. Estructura Si: retícula formada por enlaces covalentes. CONDUCCIÓN POR ELECTRONES Electrón libre : generado al romperse un enlace a una Tª>27ºC. V corriente de electrones CONDUCCIÓN POR HUECOS Hueco: generado a partir del e - libre, carga positiva. 3
Concentración de h + y e - serán iguales: n i =p i V corriente de huecos GENERACION Y RECOMBINACIÓN Generación: de e - y h + directamente proporcional a la Tª. Recombinación: los h + serán ocupados por los e - que pasen cerca. Aumenta con mayores concentraciones de e - y h + Tª Tiempo de vida (τ): tiempo que viven los portadores hasta que se recombinan. Ley de acción de masas: p * n = cte 2 Semiconductor intrínseco p=n p*n = n i LA CONDUCTIVIDAD DE UN SEMICONDUCTOR INTRINSECO AUMENTA CON LA TEMPERATURA 4
MATERIAL SEMICONDUCTOR TIPO N Objetivo: aumentar la corriente Añadir material pentavalente (DONANTE) e - sin dejar h +. V I mayoritaria de e - (Portadores mayoritarios) I minoritaria de h + (Portadores minoritarios) El donante pasará a ser un ión positivo. n = p + N D 5
MATERIAL SEMICONDUCTOR TIPO P Objetivo: aumentar la corriente Añadir material trivalente (ACEPTADOR) introduce h +. V I mayoritaria de h + (Portadores mayoritarios) I minoritaria de e - (Portadores minoritarios) El aceptador pasará a ser un ión negativo. p = n + N A DERIVA Los portadores se mueven por agitación térmica, al chocar salen despedidos en direcciones aleatorias. Campo E obliga a los portadores a tomar una dirección y una velocidad DERIVA La deriva es proporcional al E según una constante de movilidad diferente para e - y para h +. V n =-µ n E V p =µ p E µ n > µ p 6
UNIÓN PN Se forma al unir MTP con MTN Aparece CORRIENTE DE DIFUSION los h + y los e - pasarán al otro material con la intención de recombinarse. Quedan iones en las zonas más cercanas a la unión Zona de deplexión (ZD) ZD Campo E E detiene el paso de portadores 7
Queda una pequeña I de portadores minoritarios (e - y h + ) que se crean en la unión térmicamente y son dirigidos por E. UNION PN POLARIZADA INVERSAMENTE V apoya el trabajo del campo E originado por ZD. Aumenta ZD al alejarse los portadores. I de minoritarios independiente de V. Ecuación de Shockley: i D =I S [Exp (v D /nv T ) 1] En PI v D <0 i D =-I s Corriente de Saturación UNION PN POLARIZADA DIRECTAMENTE V se opone al trabajo del campo E originado por ZD. 8
h + cruza la unión cuando V supera a E, e igual e -. La I total se deberá al paso de e - al MTP y de h + al MTN, mayoritaria de e - en MTN y mayoritaria de h + en MTP. Controlables por dopaje. COMPORTAMIENTO EN ALTA FRECUENCIA Capacidad de transicion: tiene lugar durante la PI. Queda dos placas conductoras cargadas con polaridad inversa y una zona aislante. C no será cte depende de V de forma no lineal C j = dq/dv Capacidad para un valor concreto de una pequeña señal alterna, depende de la geometría del cristal, dopaje (proporcional). Capacidad de difusión: Unión PN con MTP muy dopado, muchos se recombinan al cruzar pero muchos no quedándose acumulados mientras haya PD. C dif =τ p I DQ /V T V T =KT/q Así, cuanto más carga pase (I DQ ) y más tiempo vivan en el otro lado (τ p )mayor será la acumulación de carga. Ambas C son un problema en conmutación, ya que tendrán que deshacerse de esa carga cuando cambien de PD a PI. 9
Material Semiconductor Tipo N...5 Material Semiconductor Tipo P...6 Deriva...6 Unión Pn...7 Union Pn Polarizada Inversamente...8 Union Pn Polarizada Directamente...8 Comportamiento En Alta Frecuencia...9 10