Capítulo 3 Fenómenos de ruptura 3.1) Introducción En la característica del diodo observamos una zona en la cual a pesar de estar en polarización inversa, se obtienen corrientes inversas que son mucho más elevadas que las de saturación. Decimos entonces que el diodo entra en ruptura. Los dos tipos de fenómenos de ruptura que se conocen son el de avalancha y el efecto. 3.2) Ruptura por avalancha En polarización inversa, la tensión aplicada hace aumentar la barrera de potencial y consecuentemente el campo eléctrico en la juntura. Este campo, como vimos es el encargado Ing. de Adrián producir Darío las corrientes Rosa de arrastre de los electrones en la zona p hacia la zona n y los huecos de la región n hacia la p. Estos electrones y huecos poseen cierta energía cinética en virtud de la velocidad, que adquieren debido al campo, en su movimiento a través de la zona desierta de la juntura. Considerando que la polarización inversa aumenta el ancho de la región de carga espacial, los portadores tendrán una mayor distancia para recorrer, de manera que debido a la aceleración adquirida mediante la fuerza creada por el campo, adquirirán una mayor velocidad y consecuentemente, una mayor energía cinética (recordemos que Ec = 1 mv 2 ). Si el campo sigue aumentando por efecto de la polarización inversa, llegará un 2 momento para el cual esos portadores tendrán suficiente energía cinética como para que cuando choquen contra los átomos del cristal lo ionicen, destruyendo enlaces y produciendo pares electrón - hueco secundarios. Luego, esos portadores secundarios, liberados por las colisiones, chocarán contra nuevos átomos produciéndose una multiplicación de esos portadores libres en avalancha o alud Debido a este proceso aumenta la corriente en forma indefinida, de manera que si se hace trabajar al diodo en esa zona, es necesario protegerlo mediante un resistor que limite la intensidad de dicha corriente a valores que el diodo pueda soportar sin degradarse ni destruirse por efecto de la disipación térmica. En la región de ruptura, la tensión se mantiene aproximadamente constante, a pesar del crecimiento indefinido de la corriente. Los diodos a los que se hace trabajar en la zona de ruptura son diodos de referencia, ya que para un rango dado de corriente, la tensión inversa queda prácticamente constante. Jn(choque) Jp(choque) Fp + - Fn Ε fig. 3.1 La ley matemática que explica el fenómeno de ruptura por avalancha es empírica; definimos un factor de multiplicación M I alúd = ( ). Por lo tanto I( alúd ) = IM s, siendo el valor de M el dado por la expresión Is 1 sig.m = n, donde V A es la tensión de ruptura por avalancha y n es un exponente cuyo valor está V 1 F H G I K J VA comprendido en el intervalo sig. 1. 5 n 6, según el material y el tipo de diodo. En la expresión anterior se observa que lím M =, de manera que al alcanzarse la tensión de ruptura, la corriente aumenta indefinidamente. V VA 3.3) Ruptura por efecto 1
El fenómeno que describiremos a continuación, fue descubierto por Zener en 1934, es por ello que también se conoce como efecto Zener. Los diodos que poseen altos niveles de contaminación ( concentración de impurezas ), tienen zonas desiertas muy estrechas y, con tensiones inversas pequeñas, se producen campos eléctricos muy elevados. Cuando aumentamos la tensión negativa, aumenta el campo eléctrico y, consecuentemente el ancho de la zona de carga espacial. En tales casos, el campo puede alcanzar valores tan elevados que produce la rotura de enlaces antes que la zona desierta aumente lo suficiente como para que se produzca avalancha. La ruptura por efecto consiste pues en la rotura directa de los enlaces covalentes debido al alto valor de la fuerza que actúa sobre el electrón, ocasionada por el campo eléctrico intenso y no requiriendo aceleración de un portador primario. De esta forma la ruptura por efecto Zener, no depende de la extensión de la zona desierta ( como ocurría en avalancha ), pero sí del campo eléctrico en ella. La ruptura por efecto, se produce con valores del campo eléctrico del orden del MV/cm, que tienen lugar en junturas de Si cuando la contaminación es de alrededor de 10 18 cm 3 y la tensión inversa aplicada es de unos 5V. Podemos afirmar además que diodos que trabajan en la zona de ruptura con tensiones de ruptura mayores a 8V, lo hacen según el efecto avalancha, mientras que los que tienen tensiones disruptivas menores que 5V, trabajan por efecto. Para valores intermedios de tensión, se produce una mezcla de efectos, dependiendo de la densidad de contaminación, el comportamiento preponderante. Es importante tener presente que la denominación diodo Zener se usa independientemente del tipo de ruptura y para identificar a un diodo que trabaja en la región de ruptura. Creo por ello más adecuado el nombre diodo de ruptura o regulador. Esta última denominación, por el hecho de mantener entre sus bornes una tensión prácticamente constante, independientemente de la corriente que lo atraviesa. Por su parte, desde el punto de vista de los diagramas de bandas de energía, podemos decir que debido a un potencial de juntura elevado ( campo elevado ), pueden enfrentarse banda de conducción de la zona n con la banda de valencia de la zona p y debido a la reducción del ancho de la barrera de potencial, que separa a la los electrones en la parte superior de la banda de valencia de los estados desocupados de la banda de conducción, puede producirse el a través de la barrera de potencial como vemos en la fig. 3.2. P N E g A B -e( V j0 - V ) E g fig. 3.2 La distancia A-B es tan pequeña y el campo tan alto, que los electrones de la banda de valencia de la zona p pueden atravesar la barrera de potencial y pasar a la banda de conducción de la zona n. El proceso descripto, es también el de ruptura de los aisladores. 3.4) Diodo Como vimos, el diagrama de bandas de un semiconductor se caracteriza por tener las bandas de valencia y conducción parcialmente llenas. Esto significa que tendremos electrones que se encontraban en la b.v. y que han pasado a la b.c.. En general, en la b.v. es más probable que estén llenos los niveles de energía de los electrones más fuertemente ligados. Mientras tanto, en la b.c. es más probable que estén llenos los niveles de los electrones libres que poseen menor energía.. Podemos entonces dibujar un diagrama de bandas de acuerdo a las consideraciones anteriores. 2
Banda de conducción parcialmente llena Banda de valencia parcialmente llena fig. 3.3 18 19 3 Por lo tanto, si tenemos una juntura con muy alta contaminación, del orden de 10 ó10 cm, la tensión de juntura en equilibrio, será lo suficientemente elevada como para tener efecto con polarizaciones negativas muy débiles e incluso con polarizaciones positivas. Analizaremos a continuación los diagramas de bandas para un diodo de alta contaminación para distintos casos de polarización. I) Juntura en equilibrio ( polarización cero ) Vemos que las b.c. y de valencia ya se solapan aún sin polarización. En estas condiciones como se enfrentan niveles llenos de la b.c. de la zona p con niveles llenos de la b.c. de la zona n, la corriente promedio será nula. -e V j0 niveles llenos enfrentados fig. 3.4.1 II) Polarización inversa Si aplicamos una polarización inversa aún muy débil, se opondrán niveles llenos de la b.v. de la zona p con niveles vacíos de la b.c. de la región n, por lo cual se producirá efecto en inversa. 3
fig. 3.4.2 III) Polarización directa débil Si disminuimos la polarización inversa y la hacemos ligeramente positiva, el nivel de conducción de la zona n subirá, de manera que habrá niveles llenos de la b.c. de la región n opuestos a niveles vacíos en la banda de valencia de la zona p. De esta forma aparecerá efecto ahora con polarización directa. Es así que aumenta la corriente en sentido directo. fig. 3.4.3 IV) Polarización directa más intensa Si seguimos aumentando la polarización directa, se observa que al ir disminuyendo la barrera de potencial, también lo hace la cantidad de niveles llenos en la b.c. de la zona n, enfrentados a niveles vacíos de la b.v. de la zona p. Esto significa que, a medida que aumenta la tensión, disminuye la corriente. Aparecerá entonces, en la característica del diodo, una región de resistencia negativa, particularidad de este tipo de diodo. 4
fig. 3.4.4 V) Polarización directa alta Si seguimos aumentando la polarización directa, ya no habrá solapamiento entre las b.c. de la región n y la b.v. de la zona p, en virtud de la disminución de la barrera de potencial. Es así que nos encontramos ahora en condiciones semejantes a las de un diodo común. Por lo tanto la característica volt-amper del diodo, para estos valores de polarización será igual a la del diodo común. fig. 3.4.5 En la fig. 3.4.7, vemos la característicadel diodo, que también recibe el nombre de diodo de Esaki, ya que este investigador explicó el mecanismo expuesto. Finalmente, el símbolo es el indicado a continuación: fig. 3.4.6 5
fig. 3.4.7 3.5) Capacitancia de juntura Como vimos, una polarización inversa de la juntura, favorece el aumento de la carga almacenada en la zona desierta y, consecuentemente un aumento en el potencial de dicha juntura. En forma contraria, si la polarización inversa se hace más débil o se torna directa, la carga almacenada disminuye, al igual que el potencial de juntura. Observamos entonces que ante un cambio en el potencial aplicado, se produce un cambio en la carga almacenada. Esto promueve la idea que existe en la juntura un efecto capacitivo. La unión pues, se comporta como un capacitor plano de área igual al área transversal de la juntura y largo igual a la extensión de la zona desierta y permitividad igual a la del semiconductor ( Ge o Si ). Es interesante destacar que si la densidad volumétrica de concentración de impurezas es uniforme, como en general ocurre, la única posibilidad para que varíe la carga almacenada, es que cambie la extensión de la zona desierta. Por la condición de neutralidad eléctrica deberá cumplirse que Qp = Qn, donde los símbolos anteriores representan las cargas almacenadas en la zona p y en la zona n, respectivamente. En consecuencia se deberá cumplir la ecuación sig.:ealpna = ea ln ND, donde A representa el área de la sección transversal de la juntura, l p y l n, las extensiones de la zona desierta en la región p y n reapectivamente, N A y N D, las densidades volumétricas de concentración de impurezas y finalmente e, la carga eléctrica del electrón. Simplificando queda: lpna = ln ND, de donde se ve que la zona desierta se extiende más en la región menos contaminada.. De lo anteriormente explicado se infiere que si aplicamos una tensión variable en el tiempo a la juntura. se producirá una modulación o variación en la zona desierta consecuentemente la carga eléctrica. Gráficamente podemos observar lo anteriormente expresado. densidad de carga en D l p l p Q Q l n l n distancia -en A fig. 3.5.1 6
Como esta capacitancia varía con la tensión, es decir que no es constante, se la debe definir en forma incremental, del sig. modo: Cj =, donde el signo menos deviene del hecho que si la tensión de polarización Q V aumenta, es decir, se hace menos negativa, la carga almacenada disminuye. A Considerando que la juntura se comporta como un capacitor plano de capacitancia Cj = ε, puede llegarse a la expresión de la capacitancia de juntura o de transición en función de la tensión aplicada. El lp + ln resultado es el sig.: A 2eε Cj =, la que, expresada sintéticamente, agrupando términos 2 1 1 ( Vj0 V)( + ) N A N D constantes, puede escribirse finalmente: k Cj =, la cual puede simplificarse para el caso en que la Vj0 V polarización inversa es elevada del sig. modo: k V >> Vj0 Cj= V es muy interesante observar en cualquiera de las fórmulas anteriores que esta propiedad del diodo nos permite variar una capacitancia variando la tensión inversa aplicada entre sus bornes, dando origen a un nuevo tipo de diodo que recibe el nombre de diodo varactor o de capacitancia variable o su nombre comercial varicap. Una aplicación típica de los diodos varactores es su uso en circuitos de sintonía, en los cuales es necesario variar una capacitancia para lograr que el circuito entre en resonancia. Según las expresiones vistas, la capacitancia de juntura tendrá una variación como la sig.: 1200 1000 800 Cj (pf) 600 400 Serie1 200 0 0.45 0.35 0.25 0.15 0.05-0.05-0.15-0.25-0.35-0.45-0.55-0.65-0.75-0.9-1.05 V (volt) fig. 3.5.2 Vemos en el gráfico, que la zona útil es la de polarización negativa, ya que para polarización directa, el crecimiento es muy rápido cuando nos cercamos al valor del potencial de juntura en equilibrio, haciéndose pues incontrolable. En cambio, para la zona de polarización negativa, la variación es muy lenta, por lo cual es fácilmente regulable la capacitancia mediante la tensión. El símbolo del diodo varactor es el sig.: fig. 3.5.3 3.6) Capacitancia de difusión En el capítulo anterior vimos que cuando se polarizaba al diodo en directa, se producía un exceso de portadores en cada lado de la juntura debido al proceso de difusión. Esa carga en exceso varía con la tensión de manera que aparece una variación de la carga almacenada frente a una variación en la tensión. Por lo tanto podemos afirmar que aparece un efecto capacitivo al que llamaremos capacitancia de difusión. No se trata pues de una capacitancia real como el caso de la de juntura, sino de un efecto capacitivo, pero que tiene gran importancia para polarizaciones directas por su valor elevado ( alrededor de decenas de µf ), especialmente en diodos que deban trabajar rápidamente como es el caso de la conmutación. 7