Esta presentación contiene temas que exceden el nivel y la extensión de la materia. De todos modos...

Esta presentación contiene temas que exceden el nivel y la extensión de la materia. De todos modos disponen de buenas explicaciones y descripciones de los fenómenos involucrados.

Se recomienda la lectura de los aspectos cualitativos de esta presentación, prescindiendo de los aspectos cuantitativos.

•Materiales semiconductores (Sem01.ppt)

•La unión PN y los diodos semiconductores

(Pn01.ppt)

•Transistores (Trans01.ppt)

Introducción a la Electrónica de

Dispositivos

Universidad de Oviedo

Área de Tecnología Electrónica

Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas

ATE-UO PN 00

Germanio tipo P

Al Al Al Al Al

AlAlAlAlAl

Aceptador no ionizado Germanio

0ºK

• Ambos son neutros• Compensación de cargas e iones

• Ambos son neutros• Compensación de cargas e iones

hueco

electrón

+-

-

+

Generacióntérmica

GermanioDonador ionizado

Germanio tipo N

Sb+ Sb+ Sb+ Sb+ Sb+

Sb+ Sb+ Sb+ Sb+ Sb+

-

+

--

-

- -

--

---

Generacióntérmica

ATE-UO PN 01

Aceptador ionizado

Al- Al- Al- Al- Al-

Al- Al- Al- Al- Al-

+ +

+

+

+

+

+

++

+

300ºK

¿Qué pasaría si no existiera la barrera que impide la difusión?

¿Qué pasaría si no existiera la barrera que impide la difusión?

Germanio tipo P

-+

Al- Al- Al- Al-

Al- Al- Al- Al-

+ +

+

+

+

+

+

+

Barrera que impide la difusión

Germanio tipo N

Sb+ Sb+ Sb+ Sb+

Sb+ Sb+ Sb+ Sb+

-

+

--

-

-

-

---

ATE-UO PN 02

Unión PN (I)

¿Se va a producir una difusión completa de huecos y electrones?

¿Se va a producir una difusión completa de huecos y electrones?

Al-

Al-

Germanio tipo P

-+

Al- Al- Al-

Al- Al- Al-

+ +

+

+

+

+

Germanio tipo N

Sb+ Sb+ Sb+ Sb+

Sb+ Sb+ Sb+ Sb+

+

-- -

-

---

ATE-UO PN 03

Unión PN (II)

-

-

+

+

+

+

-

-Se produce difusión de huecos de la zona P hacia la zona

N y de electrones de la zona N hacia la zona P. -

+

+

-

¿Es esta situación la situación final?NO

¿Es esta situación la situación final?NO

Germanio “antes” tipo P Germanio “antes”tipo N

Al-

Al-

Al- Al- Al-

Al- Al- Al-

Sb+ Sb+ Sb+ Sb+

Sb+ Sb+ Sb+ Sb+

-

+

+

+

+

+

- - --

--

-

--

+

+

+

+

+

Zona P no neutra, sino cargada negativamente

Zona N no neutra, sino cargada positivamente

ATE-UO PN 04

Unión PN (III)¿Se va a producir una difusión completa de huecos y

electrones?

Aparece un campo eléctrico en la zona de contacto (unión metalúrgica) de las zonas

Aparece un campo eléctrico en la zona de contacto (unión metalúrgica) de las zonas

Al-

Al-

Germanio tipo P

-+

Al- Al- Al-

Al- Al- Al-

+ +

+

+

+

+

Germanio tipo N

Sb+ Sb+ Sb+ Sb+

Sb+ Sb+ Sb+ Sb+

+

-- -

-

---

ATE-UO PN 05

Unión PN (IV)

-

-

+

+

+

+

-

-

-

+

+

-+-

El campo eléctrico limita el proceso de difusiónEl campo eléctrico limita el proceso de difusiónATE-UO PN 06

Unión PN (V)Cercanías de la unión metalúrgica

Al-

Al-

Germanio tipo P

Al- Al- Al-

Al- Al- Al-

Germanio tipo N

Sb+ Sb+ Sb+ Sb+

Sb+ Sb+ Sb+ Sb+-

+

+

-+-

+

- -

++

-

Por difusión

+

-

Por campo eléctrico

Zona de Transición Existe carga espacial y no existen casi

portadores de carga

Zona de Transición Existe carga espacial y no existen casi

portadores de carga

Zona P NEUTRA (huecos compensados

con “iones -”)

Al- Al- Al-

Al- Al- Al-

+

+

+

+

+

+

Al-

Al-

Sb+

Sb+

+- Zona N NEUTRA

(electrones compensados con “iones +”)

Sb+

Sb+

Sb+

Sb+

Sb+

Sb+

-

--

- -

-

Zonas de la unión PN (I)

ATE-UO PN 07

Zona de Transición (no neutra)Existe carga espacial (que genera campo eléctrico, , y

diferencia de potencial eléctrico, VO) y no existen casi

portadores de carga.

Zona de Transición (no neutra)Existe carga espacial (que genera campo eléctrico, , y

diferencia de potencial eléctrico, VO) y no existen casi

portadores de carga.

Zonas de la unión PN (II)

ATE-UO PN 08

Muchos huecos, pero neutra

Muchos huecos, pero neutra

Muchos electrones, pero neutra

Muchos electrones, pero neutra

+-

Zona P(neutra)

Zona N(neutra)

+ -VO

Unión metalúrgicaUnión metalúrgica Muyimportante

- +- +- +- +- +- +

- +- +

ZONA P

ZONA N

Equilibrio de corrientes de la unión PN sin polarizar (I)

ATE-UO PN 09

La corriente neta en cualquier sección del dispositivo debe ser cero

+ por campo

jp campo

+por difusión

jp difusión

-

por campo

jn campo

- por difusión

jn difusión Se compensan

Se compensan

+ -+ -+ -+ -

- +Zona N

Zona P

VO

Equilibrio de corrientes de la un. PN sin polarizar (II)

ATE-UO PN 10

jp campo = - jp difusión VO = VT·ln(pP/pN) (ver ATE-UO Sem 43)jp campo = - jp difusión VO = VT·ln(pP/pN) (ver ATE-UO Sem 43)

+

+

(concentración de huecos en la zona N) pN

+

pP (concentración de huecos en la zona P)

+ + + +

+ + + +

+ + + +

+ + + +

+ + + +

+ + + +

+ + + ++ + + +

+ -+ -+ -+ -

- +Zona P

Zona P

VO

Equilibrio de corrientes de la un. PN sin polarizar (III)

ATE-UO PN 11

jn campo= -jn difusión VO=VT·ln(nN/nP) (ver ATE-UO Sem 41)jn campo= -jn difusión VO=VT·ln(nN/nP) (ver ATE-UO Sem 41)

(concentración de electrones en la zona N) nN

- - - -- - - -- - - -- - - -- - - -- - - -

- - - -- - - -

nP (concentración de electrones en la zona P)

-

-

-

Zona P Zona N+ -

VO

Ecuación del equilibrio de las corrientes de electrones:

VO=VT·ln(nN/nP) = VT·ln(ND·NA/ni2)

Si NA >> ni

pP =NA nP = ni2/ NA

NA, pP, nP

Si ND >> ni

nN =ND pN = ni2/ ND

ND, nN, pN

Cálculo de la tensión de contacto VO

ATE-UO PN 12

Ecuación del equilibrio de las corrientes de huecos:VO = VT·ln(pP/pN) = VT·ln(NA·ND/ni

2)

El valor de VO calculado por ambos caminos coincideEl valor de VO calculado por ambos caminos coincide

Muyimportante

(x)Densidad de carga x

Zona P Zona N- +

(x)+ -

VO

•Teorema de Gauss:

·(x) = (x)/ )

-maxO

Campo eléctrico (x) x

VU(x)VOTensión x

•Diferencia de potencial:

(x) = - V

ATE-UO PN 13

Relaciones

entre , y VO

Zona P Zona N- +

x(x)

-maxO

(x)

x

Situación real

-q·NA

q·ND

Hipótesis de vaciamiento

Se admite que:

•Hay cambio brusco de zona P a zona N

•No hay portadores en la zona de transición

Se admite que:

•Hay cambio brusco de zona P a zona N

•No hay portadores en la zona de transición

Unión abrupta e hipótesis de vaciamiento

ATE-UO PN 14

Unión metalúrgicaZona P Zona N

LZTO

La neutralidad de la carga total en la zona de transición exige:

NA· LZTPO = ND· LZTNO

La neutralidad de la carga total en la zona de transición exige:

NA· LZTPO = ND· LZTNO

LZTNO

Sb+ Sb+

Sb+ Sb+

Sb+ Sb+ Sb+

Sb+

Sb+

-

--

NDLZTPO

Al- Al-

Al-Al-

Al-

Al-

Al-

Al-

+

NA

+

ATE-UO PN 15

La zona de transición

cuando NA<ND

En la zona más dopada hay menos zona de transición

En la zona más dopada hay menos zona de transición

Zona P Zona N- +

(x)+ -

VO

(x) -maxO

Campo eléctrico x

ATE-UO PN 16

Relaciones

entre , y VO

cuando NA<ND(x)Densidad de carga x

q·ND

-q·NA

VU(x)VOTensión x

•Equilibrio difusión-campo en la zona de transición:

VO=VT·ln(NA·ND/ni2) (1) VT=k·T/q, 26mV a 300ºK

•Neutralidad neta entre ambas partes de la zona de transición:

NA· LZTPO = ND· LZTNO (2)

•Longitud total de la zona de transición:

LZTO =LZTPO+ LZTNO (3)

•Relaciones entre las partes de la zona de transición (partiendo de (2) y (3) ):

LZTPO= LZTO·ND/(NA+ND) (4) LZTNO= LZTO·NA/(NA+ND) (5)

Ecuaciones en equilibrio (sin polarizar) (I)

ATE-UO PN 17

VO = -area limitada por (x)= (LZTPO+ LZTNO)·maxO/2 (7)

•Definición de diferencia de potencial ( (x) = - VU(x) ):

VU(x) VO

x

VU(x) = - (x)·dx

-LZTPO

x

•Teorema de Gauss en la zona de transición:

(0)=-maxO=-LZTNO·q·ND/=-LZTPO·q·NA/ (6) -maxO

Ecuaciones en equilibrio (sin polarizar) (II)

ATE-UO PN 18

(x)

x0LZTPO

(x)=-(LZTPO+x)·q·NA/(zona P)

LZTNO(x)=-(LZTNO-x)·q·ND/ (zona N)

Ecuaciones en equilibrio (sin polarizar) (III)

ATE-UO PN 19

partiendo de (3-7) se obtiene:

VO=q·L2ZTO·NA·ND·/(2··(NA+ND) (8)

Teniendo en cuenta (1) y eliminando VO se obtiene:

2··(NA+ND)·VT·ln(NA·ND/ni2)

LZTO=q·NA·ND

(9)

Partiendo de (4-6) se obtiene:

maxO = q·LZTO·ND·NA/((NA+ND)·(10)

y eliminando LZTO entre (8) y (10) se obtiene:

·(NA+ND)maxO=

2·q·NA·ND·VO (11)

Ecuaciones en equilibrio (sin polarizar) (IV)

ATE-UO PN 20


LZTO=q·NA·ND

(9)

·(NA+ND)maxO=

2·q·NA·ND·VO (11)

VO=VT·ln(NA·ND/ni2) (1)

2··(NA+ND)·VOLZTO=

q·NA·ND

(9)’

Resumen

Muyimportante

Ecuaciones en equilibrio (sin polarizar) (IV)

ATE-UO PN 21


LZTO=q·NA·ND

·(NA+ND)maxO=

2·q·NA·ND·VO

VO=VT·ln(NA·ND/ni2)

Conclusiones importantes

Muyimportante

VO crece con el productos de

los dopados, pero crece poco

LZTO decrece con

los dopados

Basta con que un dopado

sea pequeño para que

maxO sea pequeño

Luego:

V = 0, i = 0

Por tanto:

VmP - VO + VNm = 0

y

VmP + VNm = VO

VO

- +P N

+ -

VmP

-+VNm

-+

V = 0

i=0

No se puede estar disipando energía si no llega energía al dispositivo

No se puede estar disipando energía si no llega energía al dispositivo

Conclusión:

Los potenciales de contacto de las uniones metal semiconductor tienen que compensar el potencial de contacto de la unión semiconductora.

Conclusión:

Los potenciales de contacto de las uniones metal semiconductor tienen que compensar el potencial de contacto de la unión semiconductora.

La unión PN polarizada (I)

ATE-UO PN 22

V = VmP - VU + VNm = VO - VU

Luego:

VU = VO - V

VU

- +VmP

-+VNm

-+

i 0

P N

+ -

V-+

Baja resistividad:VN=0

Baja resistividad:VP=0

La unión PN polarizada (II)

ATE-UO PN 23

Hipótesis (bastante real): los potenciales de los contactos metal-semiconductor no varían con relación al caso anterior (VmP+VNm= VO)

Hipótesis (bastante real): los potenciales de los contactos metal-semiconductor no varían con relación al caso anterior (VmP+VNm= VO)

El potencial de contacto de la unión semiconductora disminuye.

El potencial de contacto de la unión semiconductora disminuye.

Polarización directa

V = -VmP + VU - VNm = -VO + VU

Luego:

VU = VO + V

VU

- +VmP

-+VNm

-+

i 0

P N

+ -

V- +

Baja resistividad:VN=0

Baja resistividad:VP=0

La unión PN polarizada (III)

ATE-UO PN 24

El potencial de contacto de la unión semiconductora aumenta.

El potencial de contacto de la unión semiconductora aumenta.

Polarización inversa

VU = VO - V,

siendo: V < VO

La unión PN polarizada (IV)

ATE-UO PN 25

Conclusión:

Polarización directa: 0 < V <VO

Polarización inversa: V < 0

Conclusión:

Polarización directa: 0 < V <VO

Polarización inversa: V < 0

Notación a usar en general

V-+

=

VU

- +P N

+ -

i

(aparcamos la posibilidad real de que V >VO)

Muyimportante

La unión PN polarizada (V)

ATE-UO PN 26

¿Cómo se modifica la longitud de la zona de transición, y la intensidad máxima del campo eléctrico?

Regla general (válida para V<VO):

Sustituir VO por (VO-V) en las ecuaciones:

Regla general (válida para V<VO):

Sustituir VO por (VO-V) en las ecuaciones:

pP

pN

e

VU V

T

·(NA+ND)maxO=

2·q·NA·ND·VO

LZTO =2··(NA+ND)·VO

q·NA·ND

La unión PN polarizada (VI)

ATE-UO PN 27

pP

pN

e

VU V

T

·(NA+ND)maxO=

2·q·NA·ND·VO

LZTO =2··(NA+ND)·VO

q·NA·ND

Sin polarizar teníamos:

max= ·(NA+ND)

2·q·NA·ND·(VO-V)

LZT = pP

pN

e

VU V

T 2··(NA+ND)·(VO-V)

q·NA·ND

Con polarización tenemos:

•Polarización directa (0 < V < VO):

LZT y max disminuyen

•Polarización inversa (V < 0):

LZT y max aumentan

•Polarización directa (0 < V < VO):

LZT y max disminuyen

•Polarización inversa (V < 0):

LZT y max aumentan

Muyimportante

Zona P - + Zona N

VO

LZTO

VO-Vext

Zona P - + Zona N

Vext

LZT

(x)

x

(x)

-maxO

x

VU(x) VO

x

-max

VO-Vext ATE-UO PN 28

Relaciones entre ,

y VO con

polarización directa

•Menos carga espacial

•Menor intensidad de campo

•Menor potencial de contaco

•Menos carga espacial

•Menor intensidad de campo

•Menor potencial de contaco

Zona P - + Zona N

VO

LZTO

VO+Vext

Vext

Zona P - + Zona N

LZT

ATE-UO PN 29

Relaciones entre ,

y VO con

polarización inversa

•Más carga espacial

•Mayor intensidad de campo

•Mayor potencial de contaco

•Más carga espacial

•Mayor intensidad de campo

•Mayor potencial de contaco

(x)

x

(x)

-maxO

x

VU(x)VO

x

VO+Vext

-max

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

Conclusiones parciales

ATE-UO PN 30

Muyimportante

¿Qué pasa con la concentración de portadores cuando se polariza? Ejemplo: electrones en

polarización directa

ATE-UO PN 31

- +Zona P

Zona P

nN

- - -- - -- - -- - -- - -

------ - - -

- - --- - - -

nP

-

-

-

+ -+ -+ -+ -

VO = VT·ln(nN/nP)

VO

VO-V =VT·ln(nNV/nPV)

nNV

nPV

-

------

--

VO-V

nNV/nPV cambia mucho

nNV/nPV cambia mucho

Electrones:

VO - V = VT·ln(nNV/nPV)

Concentración de portadores con polarización (I)

ATE-UO PN 32

Analizamos la situación en los bordes externos de la zona de transición:

En zona P: pP = pPV - pP nP = nPV - nP

En zona N: nN = nNV - nN pN = pNV - pN

Por neutralidad de carga (aproximada):

pP nP nN pN

Como pP>>nP y nN>>pN y admitimos que pPV>>nPV y nNV>>pNV

(hipótesis de baja inyección), se cumple:

pPV/pNV = (pP + pP) /pNV (pP + nP) /pNV pP/pNV

nNV/nPV = (nN + nN) /nPV (nN + pN) /nPV nN/nPV

Huecos:

VO - V = VT·ln(pPV/pNV)

Es como si los mayoritarios no cambiaran de concentración

Es como si los mayoritarios no cambiaran de concentración

Cambio de la concentración de electrones a los dos lados de la zona de transición :

VO - V = VT·ln(nN/nPV)

Concentración de portadores con polarización (II)

ATE-UO PN 33

Cambio de la concentración de huecos a los dos lados de la zona de transición :

VO - V = VT·ln(pP/pNV)

nN/nPV = e(VO-V)/ VT

pP/pNV = e(VO-V)/ VT

V-+

=

VU

- +Zona P Zona N

+ -

pP = NA nN = ND

nPV = ND· e- (VO-V)/ VT pNV = NA· e

- (VO-V)/ VT

Hemos llegado a:

VO - V = VT·ln(nN/nPV)

Hemos llegado a:

VO - V = VT·ln(pP/pNV)

Partíamos de:

VO = VT·ln(nN/nP)

Partíamos de:

VO = VT·ln(pP/pN)

Y esta fórmula venía de:

jn campo + jn difusión = jn total = 0

Y esta fórmula venía de:

jp campo + jp difusión = jp total = 0

Pero con polarización jp total 0 y jn total 0. Por tanto, las

expresiones mostradas no son válidas con polarización. Sin embargo, se pueden seguir usando como una aproximación razonable ya que en la unión:

jp total << jp campo jp total << jp difusión

jn total << jn campo jn total << jn difusión

¡¡¡Ojo!!!¡¡¡Ojo!!! Hay una pequeña “trampa”

ATE-UO PN 34

0,313m

Dp=50 cm2/s Dn=100 cm2/s ni=2,5·1013 port/cm3

p=1900 cm2/V·s n=3900 cm2/V·s r=16Lp=0,22 mm Ln=0,32 mm p= n= 10 s

Datos del Ge a 300ºK

pP

pN

nN

nP1010

1012

1014

1016

Po

rtad

./cm

3

1m-1m 0

VO=0,31 V

Ejemplo 1: unión de Germanio sin polarizar

ATE-UO PN 35

NA=1016 atm/cm3

varios mm

P N+ -

ND=1016 atm/cm3

Ejemplo 1 con polarización directa

ATE-UO PN 36

Vu=0.31 V

0.313m

varios mm

P N

+ -nN

nP

pP

pN

1010

1012

1014

1016

Po

rtad

./cm

3

1m-1m 0

V=180mV

VU =0,13 V

0,215m

P N- +

pNVnPV

En esta parte del cristal se produce un aumento muy fuerte de los minoritarios

En esta parte del cristal se produce un aumento muy fuerte de los minoritarios

Ejemplo 1 con polarización inversa

ATE-UO PN 37

Vu=0.31 V

0.313m

varios mm

P N

+ -nN

nP

pP

pN

V=180mV

VU =0,49 V

0,416m

P N- +

En esta parte del cristal se produce una disminución muy fuerte de los minoritarios

En esta parte del cristal se produce una disminución muy fuerte de los minoritarios

1010

1012

1014

1016

Po

rtad

./cm

3

1m-1m 0

108nPV pNV

¿Cómo evoluciona la concentración de minoritarios en las zonas alejadas de la unión?

Ejemplo: huecos en zona N con pol. directa

ATE-UO PN 38

Zona de transición

+

+

++ ++

Zona N

+

+

+

+

++

+

++

+

Inyección continua de minoritarios por una sección (ATE-UO Sem 60)

Inyección continua de minoritarios por una sección (ATE-UO Sem 60)

x0

pNV(x)pNV

pNV0

pNVnPV

nN

nP

1010

1012

1014

1016

Po

rtad

./cm

3

Esc. log.

1016

5·1015

0

Po

r./c

m3

Escalalineal

Zona P Zona N

nPV

nN

nP

pP

pN

pP

pNpNVnPV

nN

nP

pP

pN

pNV

V=180mV

Zona P Zona N

V=180mV

Po

rtad

./cm

3

1010

1012

1014

1016

108 Esc. log.

Concentraciones en zonas alejadas de la unión

ATE-UO PN 39

Zona P Zona N

nPV pNV

pNnP

Portad./cm3

Longitud [mm]

8·1013

4·1013

0-3 -2 -1 0 1 2 3

Zona P Zona N

pNnP8·1010

4·1010

0-3 -2 -1 0 1 2 3

Portad./cm3

Longitud [mm]

Concentración de minoritarios en zonas alejadas de la unión (zonas neutras) en escala lineal

ATE-UO PN 40

V=180mV V=180mV

nPV pNV

El aumento de concentración diminuye exponencialmente al

alejarse de la unión

El aumento de concentración diminuye exponencialmente al


La disminución de concentración diminuye exponencialmente al


La disminución de concentración diminuye exponencialmente al


Exceso de concentración en las zonas neutras y gradiente de minoritarios en los bordes de la zona de transición (I)

ATE-UO PN 41

Debido a los diferentes valores de las escalas de concentraciones, los valores del exceso de carga y del gradiente son muy distintos

Debido a los diferentes valores de las escalas de concentraciones, los valores del exceso de carga y del gradiente son muy distintos

pNV

Portad./cm3

Longitud [mm]

8·1013

4·1013

0-3 -2 -1 0 1 2 3

nPV


8·1010

4·1010

0-3 -2 -1 0 1 2 3

Portad./cm3

Longitud [mm]

nPV pNV


Alto gradiente

Pequeño gradiente

Alto exceso de minoritarios Escaso exceso de minoritarios

8·1013

4·1013

0

Portad./cm3

Zona NZona P

pNnP

nPV

V=180mV(pol. directa)

pNV

nPVpNV

V=-180mV(pol. inversa)

Exceso de concentración en las zonas neutras y gradiente de minoritarios en los bordes de la zona de transición (II)

ATE-UO PN 42

Aquí se ve mejorAquí se ve mejor

¿Por qué tanto interés en la evolución de la concentración de los minoritarios en los bordes externos de la zona de transición?

ATE-UO PN 43

Porque dicha evolución es la clave para deducir la relación entre la tensión V y la corriente I en una unión PN polarizada, que es lo que realmente nos interesa.

V-+

=

P N

+ -

i

¿Cómo calcular la corriente (I)?

ATE-UO PN 44

varios mm

V

VU

0,215m

P N- +Zona P Zona N

¿Analizando la zona de transición?

En la zona de transición hay gradientes de concentración e intensidades de campo eléctrico muy grandes, que causan que:jp total << jp campo jp total << jp difusión jn total << jn campo jn total << jn difusión

Portad./cm3

nPpN

1014

1016

pNVnPV Esc. log.

1m

No es posible obtener información sobre la corriente total por este camino

No es posible obtener información sobre la corriente total por este camino

¿Cómo calcular la corriente (II)?

ATE-UO PN 45

¿Analizando los mayoritarios de las zonas“neutras”?

V

3 mm

P N- +Zona P

Escala lineal

Portad./cm3

1016 + 8·1013

0

pPV1016 + 4·1013

1016

pP

•Sabemos que los mayoritarios aumentan aproximadamente así, por lo que podríamos calcular la corriente de difusión de mayoritarios.•Pero no podemos calcular la corriente debida a campo eléctrico (de arrastre) ya que no sabemos lo que vale el campo (aunque sí sabemos que es muy pequeño).

Tampoco vale este métodoTampoco vale este método

¿Cómo calcular la corriente (III)?

ATE-UO PN 46

6 mm

V 0,215m

P N- +Zona P Zona N

Portad./cm3

8·1013

4·1013

0

nPV

6,25·1010

Esc. lin.

¿Analizando los minoritarios de las zonas“neutras”?

La corriente de minoritarios debida a campo eléctrico es despreciable (pequeños valores del campo y pequeña concentración).

Toda la corriente de minoritarios es debida a difusión

Toda la corriente de minoritarios es debida a difusión

Portad./cm3

pNV

8·1013

4·1013

0

Esc. lin.

6,25·1010

¿Cómo calcular la corriente (IV)?

ATE-UO PN 47

Cálculo de la corriente de minoritarios en las zonas“neutras”

Portad./cm3

pNV

6,25·1010

Portad./cm3

nPV

6,25·1010

8·1013

4·1013

0

V

- +Zona P Zona N

40

20

0De

nsi

da

d d

e

co

rrie

nte

[m

A/c

m2]

jnP jpN

jnP=q·Dn·dnPV/dx

jnP

jpN=-q·Dp·dpNV/dx

jpN

¿Cómo calcular la corriente (V)?

ATE-UO PN 48

¿Podemos conocer la corriente total a partir de la corriente de minoritarios en las zonas“neutras”?

¿Qué pasa en la zona de transición?jnP

Longitud [mm]

40

20

0

Den

sid

ad d

e co

rrie

nte

[m

A/c

m2]

0-

-1.5 -1 -0.5 0.5 1 1.5

0+

Al no haber recombinaciones en la zona de transición, no se modifican las corrientes

Al no haber recombinaciones en la zona de transición, no se modifican las corrientes

jpN

V=180mV

Zona P Zona N

jnPjpN

¿Cómo calcular la corriente (VI)?

ATE-UO PN 49

jnP jpN

Longitud [mm]

40

20

0

Den

sid

ad d

e co

rrie

nte

[m

A/c

m2]

0-

-1.5 -1 -0.5 0.5 1 1.5

0+

60

80•En la zona de transición:

jtotal = jnP(0) + jpN(0)

•En el resto del cristal:

La corriente tiene que ser la misma

•En la zona de transición:


•En el resto del cristal:

La corriente tiene que ser la misma jpN(0)

jnP(0)


Muy, muyimportante

V=180mV

Zona P Zona N

jnPjpN

jtotal

1ª conclusión importantísima:Basta conocer la concentración de los minoritarios en los bordes de la zona de transición para conocer la corriente total.

1ª conclusión importantísima:Basta conocer la concentración de los minoritarios en los bordes de la zona de transición para conocer la corriente total.

2ª conclusión importantísima:Polarización directa:•El gradiente de dicha concentración es bastante grande Corriente total bastante grande


•El gradiente de dicha concentración es muy pequeño Corriente total muy pequeña

2ª conclusión importantísima:Polarización directa:•El gradiente de dicha concentración es bastante grande Corriente total bastante grande


•El gradiente de dicha concentración es muy pequeño Corriente total muy pequeña

ATE-UO PN 50

jnP jpN

Longitud [mm]

40

20

0

Den

sid

ad d

e co

rrie

nte

[m

A/c

m2]

0-

-1.5 -1 -0.5 0.5 1 1.5

0+

60

80

jtotal

V=180mV

Zona P Zona N

jnPjpN

jtotal

jpP = jtotal - jnP

jnN = jtotal - jpN

jpP = jtotal - jnP

jnN = jtotal - jpN

ATE-UO PN 51

Cálculo de la corriente debida a los mayoritarios (I)

jpP

En cada zona “neutra” , todo lo que no es corriente de minoritarios es corriente de mayoritarios

V=180mV

Zona P Zona N

jnPjpN

jtotal

ATE-UO PN 52

Cálculo de la corriente debida a los mayoritarios (II)

jnPjpN

Longitud [mm]

40

20

0

Den

sid

ad d

e co

rrie

nte

[m

A/c

m2]

0-

-1.5 -1 -0.5 0.5 1 1.5

0+

60

80

jtotal

jpP jnNjpP

jpN

jpP

0

20

40

60

Den

sid

ad d

e co

rrie

nte

[m

A/c

m2]

jnP

jnN

jtotal

V=180mV (pol. directa)Corriente positiva con la

referencia tomada

jpN

jpP

jnP

jnNjtotal

0

-0,02

-0,04

-0,06D

ens

idad

de

corr

ien

te [

mA

/cm

2]

V=-180mV (pol. inversa)Corriente negativa con la

referencia tomada

Cambio de 1000 a 1 al pasar de +180mV a -180mVCambio de 1000 a 1 al pasar de +180mV a -180mV

180mVjtotal

Zona NZona P Zona NZona P

180mVjtotal

Corrientes con polarización directa e inversa

ATE-UO PN 53

1- Se calcula el salto de concentración de cada tipo de portador de un extremo al otro de la zona de transición.

2- Se calcula el exceso de minoritarios en los bordes externos de la zona de transición.

3- Se calcula la distribución exponencial de los minoritarios al lo largo de las zonas neutras.

4- Se calcula el gradiente de dicha concentración justo en los bordes de la zona de transición.

5- Se calculan las corrientes de minoritarios en los bordes de la zona de transición (corriente de huecos en el borde de la zona N y de electrones en el borde de la zona P).

6- La suma de las dos corrientes anteriores es la corriente total.

1- Se calcula el salto de concentración de cada tipo de portador de un extremo al otro de la zona de transición.

2- Se calcula el exceso de minoritarios en los bordes externos de la zona de transición.


4- Se calcula el gradiente de dicha concentración justo en los bordes de la zona de transición.



Cálculo de la corriente en función de la tensión (I)

ATE-UO PN 54

Cálculo de la corriente en función de la tensión (II)

ATE-UO PN 55

1010

1012

1014

1016

pP

pNV(x)

Po

rta

d./c

m3

-3 -2 -1 0 1 2 3

Longitud [mm]

pNV(0) pN()

1- Se calcula el salto de concentración de cada tipo de portador de un extremo al otro de la zona de transición. Este salto depende de VO-V

1- Se calcula el salto de concentración de cada tipo de portador de un extremo al otro de la zona de transición. Este salto depende de VO-V

2- Se calcula el exceso de minoritarios en los bordes externos de la zona de transición. Este exceso depende de V

2- Se calcula el exceso de minoritarios en los bordes externos de la zona de transición. Este exceso depende de V

Cálculo de la corriente en función de la tensión (III)

ATE-UO PN 56

1010

1012

1014

1016

pP

pNV(x)

Po

rta

d./c

m3

-3 -2 -1 0 1 2 3

Longitud [mm]

pNV(0) pN()



4- Se calcula el gradiente de dicha concentración

justo en los bordes de la zona de transición (tg).

4- Se calcula el gradiente de dicha concentración

justo en los bordes de la zona de transición (tg).

jnP jpN

Longitud [mm]

40

20

0

Den

sid

ad d

e co

rrie

nte

[m

A/c

m2]

0-

-1.5 -1 -0.5 0.5 1 1.5

0+

60

80

Cálculo de la corriente en función de la tensión (IV)

ATE-UO PN 57



jpN(0)jnP(0)




1- Salto de concentraciones

VO = VT·ln(pP/pN()) (1) VO-V = VT·ln(pP/pNV()) (2)

2- Exceso de minoritarios en el borde

V = VT·ln(pNV() /pN()) (3)

3- Distribución de los minoritarios

pNV(x) = pN()+(pNV() -pN())·e-x/LP (4)

4- Gradiente en el borde de la Z. T.

pP

pNV(x)

pNV(0)

pN()

Cálculo de la corriente en función de la tensión (V)

ATE-UO PN 58

pNV(x)=p-(pNV() - pN())·e-x/L

Lp

(5)

pNV(x) = -(pNV() - pN())

Lp[ ]0

(6)

Cálculo de la corriente en función de la tensión (VI)

ATE-UO PN 59

5- Corrientes de minoritarios

6-Corriente total (A es la sección)

i=A·jTotal=A·(jpN(0)+ jnP(0)) (9)

Usando la ecuación (3) para huecos y para electrones, queda:

pNV() -pN() = pN()·(eV/VT -1) (10)

nPV() -nP() = nP()·(eV/VT -1) (11)

jpN(0)=q·Dp·(pNV() -pN())

Lp

(7)

jnP(0)=q·Dn·(nPV() -nP())

Ln

(8)

Cálculo de la corriente en función de la tensión (VII)

ATE-UO PN 60

Sustituyendo (10) y (11) en (7) y (8) y éstas en (9), queda:

i = A·q·(Dp·pN()/Lp+Dn·nP()/Ln)·(eV/VT -1) (12)

y como pN()=ni2/ND y nP()=ni

2/NA , queda:

i = A·q·ni2·(Dp/(ND·Lp) + Dn/(NA·Ln))·(eV/VT -1) (13)

Esta ecuación se puede escribir como:

i=IS·(eV/VT -1)

donde:

IS = A·q·ni2·(Dp/(ND·Lp)+Dn/(NA·Ln))

Muy, muyimportante

• Polarización directa con VO > V >> VT

• Polarización inversa con V << -VT

Resumen: i = IS·(e -1)

VVT

donde:

VT = k·T/q IS = A·q·ni2·(Dp/(ND·Lp)+Dn/(NA·Ln))

(dependencia exponencial)i IS·eVVT

Corriente inversa de saturación (constante)

i -IS

Ecuación característica de una unión PN “larga”

ATE-UO PN 61

Muyimportante

Unión de Ge (Ejemplo 1), sin efectos adicionales P

N

+

-

i

V

Curva característica de una unión PN “larga” a diferentes escalas

ATE-UO PN 62

0

1

0,25-0,25

i [mA]

V [Volt.]

(exponencial)

-0,8

-0,5 0

i [A]

V [Volt.]

(constante)

i pequeña

Zona P Zona N

+ -

Baja resistividad:

VN 0

Baja resistividad:VP 0

V

VN 0VP 0

i grande

Curva característica de una unión PN con otros efectos reales (I)

ATE-UO PN 63

Efecto de la resistencia de las zonas “neutras”

0 1-4

30i [mA]

V [Volt.]

•La tensión de contacto ya no es

VO - V

•La tensión de contacto siempre tiene el signo indicado

•La tensión V puede ser mayor

que VO

Curva característica de una unión PN con otros efectos reales (II)

ATE-UO PN 64

•Habíamos supuesto que no había generación de pares electrón-hueco

•La corriente inversa aumenta por efecto de esta generación

Generación en la zona de transición

i+ V -

Zona P Zona N+ -

+ -+ -

- +

+

-

+

-

+

-

-40

0

-2

i [A]V [Volt.]

Curva característica de una unión PN con otros efectos reales (III)

ATE-UO PN 65

Avalancha primaria

-40

0

-2

i [A]V [Volt.]

i + V -

PN

+ -

- +

+ -

+ -

+

-

+

- -

++- -+

La corriente aumenta fuertemente si se producen pares electrón-hueco adicionales, o bien por choque o bien por otra causa.

Esto será estudiado después

30

0 5-20

i [mA]

V [Volt.]

Curva característica de una unión PN en escala de máximos valores de uso

ATE-UO PN 66

En polarización inversa, la corriente conducida es prácticamente nula

En polarización directa, la caída de tensión es prácticamente nula

Muyimportante

Concepto de diodo ideal (I)

ATE-UO PN 67

En polarización inversa, la corriente conducida es nula, sea cual sea el valor de la tensión inversa aplicada

En polarización directa, la caída de tensión es nula, sea cual sea el valor de la corriente directa conducida

•Nos olvidamos de lo que se ha visto sobre electrónica física

•Definimos un nuevo componente ideal de teoría de circuitos

Ánodo

Cátodo

i

V

i

V

+

-

Muy, muyimportante

curva característica

Concepto de diodo ideal (II)

ATE-UO PN 68

Circuito abierto

Corto circuito

i

V

i

V

i

V

Circuito abierto: la corriente conducida es nula, sea cual sea el valor de la tensión aplicada

Corto circuito: la tensión soportada es nula, sea cual sea el valor de la corriente conducida

Diodo ideal

Comparación entre el diodo ideal y el comportamiento de una unión PN

ATE-UO PN 69

i

V

Diodo ideal30

0 5-20

i [mA]

V [Volt.]

Diodo real

El comportamiento de una unión PN es muy semejante al de un diodo ideal

El comportamiento de una unión PN es muy semejante al de un diodo ideal

El diodo semiconductor. Diodo de señal

ATE-UO PN 70

Ánodo

Cátodo

Ánodo

Cátodo

Oblea de semiconductor

Encapsulado (cristal o resina sintética)

Terminal

Terminal

PN

Marca señalando el cátodo

Contacto metal-semiconductor

Contacto metal-semiconductor

1N4007(Si)

BY251(Si)

1N4148(Si)

OA95(Ge)

BY229(Si)

Diodos semiconductores

ATE-UO PN 71

BYS27-45(Schottky Si)

Agrupación de diodos semiconductores

ATE-UO PN 72

2 diodos en cátodo común

BYT16P-300A(Si)

+

+

Anillo de diodos

HSMS2827(Schottky Si)

-

+

Puente de diodos

B380 C1500(Si)

+ -

B380 C3700(Si)

Curvas características y circuitos equivalentes

ATE-UO PN 73

V

rd

real (asintótico)

ideal

0

i

V

V

pendiente = 1/rd

Circuito equivalente asintótico

Curva característica real

Curva característica asintótica

Curva característica ideal

Muyimportante

Recordatorio del Teorema de Thévenin

ATE-UO PN 74

vABO

+

-

Circuito lineal

A

B

Circuito lineal

A

B

iABS

V

V = vABO

ZO

ZO = vABO/iABS-

+=

A

B

vABO

+

-

Equivalente Thévenin

Circuito lineal

A

B

Resolución de circuitos con diodos. Caso 1º:Un diodo ideal en un circuito en el que el resto

de los componentes son lineales

ATE-UO PN 75

Circuito lineal

Circuito no lineal

Circuito de partida

idealA

B

ideal

vABO

+

-

Si vABO > 0 diodo directamente polarizado vAB=0, iAB>0 (0)

vAB

+

-

iAB

Si vABO < 0 diodo inversamente polarizado iAB=0, vAB=vABO (0)

Solución

Equivalente Thévenin

-+=

- vZO

Resolución de circuitos con diodos. Caso 2º:Un diodo real (modelo asintótico) en un circuito en

el que el resto de los componentes son lineales

ATE-UO PN 76

Si vABO > V diodo directamente polarizado vAB=V+ rd·iAB

Si vABO < V diodo inversamente polarizado iAB=0, vAB=vABO

realiAB

vAB

+

-

A

Circuito lineal

B

real

V

rd

idealiAB

vAB

+

-

A

Circuito lineal

B

vABO

+

-

A

Circuito lineal

B

Resolución de circuitos con diodos. Caso 3º:Un diodo real (modelo exponencial) en un circuito en el que el resto de los componentes son lineales

ATE-UO PN 77

En circuito impone la condición vAB = F(iAB)

realiAB

vAB

+

-

A

Circuito lineal

B

En diodo impone la condición iAB = IS·(eVAB/VT -1)

Hay que resolver este sistema, que no tiene solución explícita

Hay que resolver este sistema, que no tiene solución explícita

Resolución de circuitos con diodos. Caso 4º:Varios diodos ideales

ATE-UO PN 78

Al ser no lineal el circuito que queda al eliminar el diodo D1, no pueden aplicarse los métodos anteriores

Circuito no linealB

A

Circuito linealideal

D1

Método a seguir: Establecer una primera hipótesis sobre el estado de conducción de cada diodo. A continuación resolver el circuito y verificar si se llega a alguna situación incompatible con la idealidad de los diodos. En caso afirmativo, repetir el proceso hasta que se llegue a una hipótesis compatible con la idealidad de los diodos.

Método a seguir: Establecer una primera hipótesis sobre el estado de conducción de cada diodo. A continuación resolver el circuito y verificar si se llega a alguna situación incompatible con la idealidad de los diodos. En caso afirmativo, repetir el proceso hasta que se llegue a una hipótesis compatible con la idealidad de los diodos.

Resolución de circuitos con diodos. Caso 5º:Varios diodos reales (modelo asintótico)

ATE-UO PN 79 Igual que el caso anteriorIgual que el caso anterior

real

realCircuito lineal

A

B

C

D

E Freal

V

rd

idealV

rd

ideal

Vrdideal

Circuito lineal

Circuito no lineal

Resolución gráfica de circuitos con un diodo, fuentes y resistencias

ATE-UO PN 80

•En circuito impone la condición: vAB = vABO - RO·iAB

(recta de carga)

Circuito V, I, RA

B

iAB

vAB

+

-

•En diodo impone la condición definida por su curva

característica

El punto de trabajo está definido por la intersección de la recta de carga y la curva característica

El punto de trabajo está definido por la intersección de la recta de carga y la curva característica

Eq. Thévenin

RO

-+=

- vABO

0

iAB

vAB

vABO

vABO/RO

Decrece con T

Crece con T

Polarización directa: i IS·eq·V/(kT)

Polarización inversa: i -IS

La corriente IS depende fuertemente de T (se dobla cada 10ºC)La corriente IS depende fuertemente de T (se dobla cada 10ºC)

La corriente i aumenta con T (prevalece la tendencia de IS)La corriente i aumenta con T (prevalece la tendencia de IS)

siendo: IS = A·q· ni2·(Dp/(ND·Lp)+Dn/(NA·Ln))

ni Nc·e (EFi - Ec)/kT Nc es una constante que

depende de T3/2 (ver ATE-UO Sem 32)

Efectos térmicos sobre la unión (I)

ATE-UO PN 81

Efectos térmicos sobre la unión (II)

ATE-UO PN 82

30

0,30

i [mA]

V [Volt.]


P

N

+

-

i

V

37ºC

27ºC

-0,25

-2

V [Volt.]

i [A]


En ambos caso, para la misma tensión, la corriente aumenta con la temperatura

En ambos caso, para la misma tensión, la corriente aumenta con la temperatura

Muyimportante

27ºC

37ºC

Datos del Si a 300ºKDp=12,5 cm2/sDn=35 cm2/sp=480 cm2/V·sn=1350 cm2/V·sni=1010 port/cm3

r=11,8VO=0,596 V

NA=1015 atm/cm3

p=100 ns

Lp=0,01 mm

ND=1015 atm/cm3

n=100 ns

Ln=0,02 mm

Zona P Zona N

Dp=50 cm2/s Dn=100 cm2/s ni=2,5·1013 port/cm3

p=1900 cm2/V·s n=3900 cm2/V·s r=16

Lp=0,22 mm Ln=0,32 mm p= n= 10 sNA=1016 atm/cm3 ND=1016 átm/cm2 VO=0,31 V

Datos del Ejemplo 1 (Ge)

Ejemplo 2: unión de Silicio

ATE-UO PN 83

pP

pNV

nN

nPV

1010

1012

1014

1016

Portad./cm3

-3 -2 -1 0 1 2 3

Longitud [mm]

Ejemplo 2 (Si) con V=0,48 (i=544A)

Ejemplo 1 (Ge) con V=0,18 (i=566A)

pNV

pP

nPV

nN

Portad./cm3

104

1012

1014

1016

-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

Longitud [mm]

1010

108

106

Comparación entre uniones de Silicio y Germanio

ATE-UO PN 84

0 1-4

30

i [mA]

V [Volt.]

Ge

Si

V [Volt.]

0

1

0,25- 0,25

i [mA]

0,5

P

N

+

-

i

V

Comparación Ge/Si: curvas características

ATE-UO PN 85

Ge Si

-0,8

-0,5 0

i [A]

V [Volt.]

-10

-0,5 0

i [pA]

V [Volt.]

GeSi

Ge: mejor en conducción

Si: mejor en bloqueo

Ge: mejor en conducción

Si: mejor en bloqueo

Muyimportante

Al cambiar las condiciones de polarización, ¿cambia al instante la conducción?

No, ya que la conducción está ligada a la concentración de portadores de carga en los bordes externos de la zona de transición y al ancho de la zona de transición, siendo en ambos casos necesario crear, destruir o mover portadores de carga, lo

que requiere tiempo.

No, ya que la conducción está ligada a la concentración de portadores de carga en los bordes externos de la zona de transición y al ancho de la zona de transición, siendo en ambos casos necesario crear, destruir o mover portadores de carga, lo

que requiere tiempo.

Se caracterizan como:

•Capacidades parásitas (aplicaciones lineales)

•Tiempos de conmutación (en conmutación)

Efectos dinámicos de las uniones PN

ATE-UO PN 86

Es la dominante con polarización inversa

x

(x)V

Zona P

VO+V

- + Zona N

VO+V+V

- + Zona N

V + V

Al producirse V, hay que extraer portadores de carga para generar esta carga espacial

Capacidades parásitas: capacidad de transición (I)

ATE-UO PN 87

- +P N

Con V

Unión PN

Con V

+ + +- - -

+ + + + +- - - - -

Con V + V

Condensador

Condensador: nuevas cargas a la misma distancia (C=cte.)

Unión PN: nuevas cargas a distinta distancia (Ccte.)

Condensador: nuevas cargas a la misma distancia (C=cte.)

Unión PN: nuevas cargas a distinta distancia (Ccte.)

Capacidades parásitas: capacidad de transición (II)

ATE-UO PN 88

Con V + V

- +P N

Capacidades parásitas: capacidad de transición (III)

ATE-UO PN 89

Es una función del tipo K·(VO-V)-1/2

Es una función del tipo K·(VO-V)-1/2

Ctrans=dQ/dV=·A/LZT

LZT = pP

pN

e

VU V

T 2··(NA+ND)·(VO-V)

q·NA·ND

Ctrans = A· pP

pN

e

VU V

T 2·(NA+ND)·(VO-V)

·q·NA·ND

LZT

-dQ

dQPartiendo de :

Se obtiene:

0

V

Ctrans

Muyimportante

Capacidades parásitas: capacidad de transición (IV)

ATE-UO PN 90

Muyimportante

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,

osciladores controlados por tensión, control automático

de sintonía, etc.

Símbolo Se usa polarizado inversamente

Capacidades parásitas: capacidad de difusión (I)

ATE-UO PN 91

dominante con polarización directa



En polarización directa, Ctrans 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.

0 V

Ctrans

Incremento de concentración de minoritarios debido al aumento de tensión de 60mV.

Capacidades parásitas: capacidad de difusión (II)

ATE-UO PN 92

1010

1012

1014

1016

Po

rta

d./c

m3

-3 -2 -1 0 1 2 3

Longitud [mm]

pP

pNV

nN

nPV

V=180mV

Al incrementar la tensión tiene que producirse un aumento de concentración de minoritarios, que tarda tiempo en producirse, lo que se asocia a la

llamada capacidad de difusión

Al incrementar la tensión tiene que producirse un aumento de concentración de minoritarios, que tarda tiempo en producirse, lo que se asocia a la

llamada capacidad de difusión

V=240mV

Comportamiento dinámicamente ideal

Comportamiento dinámicamente ideal

Transición de “a” a “b” (apagado), en una escala amplia (ms o s).

a b

V1

V2

Ri

V+

-i

V

t

t

V1/R

-V2

Tiempos de conmutación (I)

ATE-UO PN 93

a b

V1

V2

Ri

V+

-

Tiempos de conmutación (II)

ATE-UO PN 94

Transición de “a” a “b” (apagado), en una escala detallada (s o ns).

i

V

t

t

trr

V1/R

-V2/Rts

tf (i= -0,1·V2/R)

-V2

ts = tiempo de almacenamiento (storage time )

tf = tiempo de caída (fall time )

trr = tiempo de recuperación inversa (reverse recovery time )

Muyimportante

a b

V1

V2

Ri

V+

-

Tiempos de conmutación (III)

ATE-UO PN 95

¿Por qué ocurre esto?Porque no habrá capacidad de bloqeo hasta que las concentraciones de minoritarios sean menores que las de equilibrio

V1/R

Vt

i

t pNVnPV

Portad./cm3

8·1013

4·1013

0

-1 0 1Longitud [mm]

t0t0

t3

t3

t1

t1

t2

t2

-V2

-V2/R

t4

t4

t0t0

a b

V1

V2

Ri

V+

-

Tiempos de conmutación (IV)

ATE-UO PN 96

pNVnPV

Portad./cm3

8·1013

4·1013

0

-1 0 1Longitud [mm]

i

td = tiempo de retraso (delay time )

tr = tiempo de subida (rise time )

tfr = td + tr = tiempo de recuperación

directa (forward recovery time )

tr

0,9·V1/R

td

0,1·V1/R

tfr

Transición de “b” a “a” (encendido)

t0

t0

t1

t1

t2

t2

t3

t3

t4t4

El proceso de encendido es más rápido que el apagado.

El proceso de encendido es más rápido que el apagado.

Zona P(neutra)

Barrera que impide la difusión

Zona N(neutra)

Ev

EFi

Ec

EF

Ev

EFi

Ec

EF

Zonas P y N incomunicadas

Diagramas de bandas en la unión PN (I)

ATE-UO PN 97

Zona P(neutra)

Ev

EFi

Ec

EF

Ev

EFi

Ec

EF

Zonas P y N comunicadas y sin polarizar (I)

Diagramas de bandas en la unión PN (II)

ATE-UO PN 98

VO·q

Zona de transición

---

+++

- +

VO

Zona N(neutra)

Ev

EFi

Ec

EF

Ev

EFi

Ec

EF

Zona P neutra Zona N neutraZ. trans.

Zonas P y N comunicadas y sin polarizarRepresentamos la distribución de los portadores

Diagramas de bandas en la unión PN (III)

ATE-UO PN 99

nP nN

pP pN

Estados posibles para los electrones(estados vacíos)

Estados posibles para los huecos(electrones de valencia)

Ev

EFi

Ec

EF

Ev

EFi

Ec

EF

Zona P neutra Zona N neutraZ. trans.

nP nN

pP pN

Estados posibles para los electrones

Estados posibles para los huecos

- +

- +

Zonas P y N comunicadas y sin polarizarValoración de las corrientes

Diagramas de bandas en la unión PN (IV)

ATE-UO PN 100

-jn campo -jn difusión

jp campo

jp difusión

jn campo + jn difusión = 0 jp campo + jp difusión = 0

Diagramas de bandas en la unión PN (V)

ATE-UO PN 101

Sin polarizarPolarización inversa (V<0). Valoración de las corrientes

Corriente total débil debida a campo eléctrico y que no varía casi con la tensión inversa (V<0) aplicada

Ec

Ev

EFi

Ec

EF

nP

pN

- +

- +Ev

EFi

EF

pP

nN-jn campo

EF

Ev

EFi

Ec

nN

pN

- +

- +

(VO-V)·q

jtotal jn campo + jp campo

jp campo

Ec

Ev

EFi

Ec

EF

nP

pN

- +

- +Ev

EFi

EF

pP

nN

Diagramas de bandas en la unión PN (VI)

ATE-UO PN 102

Sin polarizarPolarización directa (V>0). Valoración de las corrientes

Corriente total fuerte debida a difusión, que varía mucho con la tensión directa (V>0) aplicada

-jn campo

EF

Ev

EFi

Ec

nN

pN

- +

- +

(VO-V)·q-jn difusión

jp difusión

jtotal jn difusión + jp difusión

jp campo

Tensión inversa máxima que puede soportar una unión PN (I)

ATE-UO PN 103

La tensión inversa máxima que puede soportar una unión está limitada por una de estas 3 posibles causas:

•Perforación (punch-through)

•Ruptura por avalancha primaria

•Ruptura zener

Perforación: en uniones extremadamente cortas, la zona de transición puede llegar a invadir toda la zona neutra cuando se aumenta excesivamente la tensión inversa aplicada. En estas condiciones la unión ya no es capaz de soportar tensión inversa sin conducir.

0

i V

i + V -

PN

+ -

- +

+ -

+ -

+

-

+

- -

++- -+

Ruptura por avalancha primaria: Como se comentó en ATE-UO PN 65, la corriente inversa aumenta fuertemente si se producen pares electrón-hueco adicionales por choque. El fenómeno se vuelve degenerativo si la intensidad del campo eléctrico aumenta suficientemente.

Tensión inversa máxima que puede soportar una unión PN (II)

ATE-UO PN 104

El coeficiente de temperatura en este caso es positivo (al aumentar la temperatura aumenta la tensión de ruptura.)

Ruptura Zener: Dopando muy fuertemente ambas zonas se puede conseguir que LZTO sea muy pequeña (<10-6 cm) y EmaxO muy grande

(106 volt/cm). En estas condiciones, con tensiones inversas pequeñas (5 voltios) se puede dar la ruptura de la unión al

producirse conducción inversa por efecto tunel.

Tensión inversa máxima que puede soportar una unión PN (III)

ATE-UO PN 105

·(NA+ND)maxO=

2·q·NA·ND·VOLZTO =

2··(NA+ND)·VO

q·NA·ND

Valores de la longitud de la zona de transición LZTO y del campo eléctrico máximo maxO sin polarizar (ver ATE-UO PN 27):

El coeficiente de temperatura en este caso es negativo (al aumentar la temperatura disminuye la tensión de ruptura)

Energía

Distancia

Barrera de potencial ancha

Efecto tunel

ATE-UO PN 106

-

Cede energía

-

-

Adsorbe energía

- --

-

Distancia

EnergíaBarrera de potencial muy

estrecha (<10-6 cm)

Superación de una barrera sin

efecto tunel

Superación de una barrera por

efecto tunel- - -- -

Corriente casi exclusivamente debida a electrones de valencia que atraviesan la zona de transición por efecto tunel

Ec

Ec

nP

pN

nN

Ev

Ev

pP

Zona P Zona N

Tensión inversa máxima que puede soportar una unión PN (IV). Efecto tunel

ATE-UO PN 107

Electrones de valencia

--

Tensión inversa máxima que puede soportar una unión PN (V)

ATE-UO PN 108

Comparación entre ruptura por avalancha y ruptura zener (I)

Similitudes:

•Pueden provocar la destrucción de la unión por aumento de temperatura.

•En ambos casos, la tensión inversa máxima Vmax depende

del campo eléctrico aplicado que provoca la ruptura, rup.

(Vmax<0)

rup= ·(NA+ND)

2·q·NA·ND·(VO-Vmax) ·(NA+ND)

2·q·NA·ND·(-Vmax)

Tensión inversa máxima que puede soportar una unión PN (VI)

ATE-UO PN 109

Comparación entre ruptura por avalancha y ruptura zener (II)

Diferencias:•Coeficiente de temperatura positivo en el caso de la ruptura por avalancha y negativo en el caso ruptura zener.

¿Cuándo se produce cada una? •Para el Si: si la tensión a la que se produce la ruptura es menor de 4,5 voltios, la ruptura es tipo zener; si es mayor que 9 voltios, es tipo avalancha; a tensiones entre 4,5 y 9 voltios es mixta.•Para el Ge: lo mismo pero con 2,7 y 5,4 voltios.

Consecuencia importante: a tensiones intermedias (6 voltios en Si) la tensión de ruptura varía poco con la temperatura

Son diodos diseñados para trabajar en zona de ruptura, cualquiera que sea la causa de ésta (zener o avalancha).

i+

-V

i

V0

Curva característicaSímbolo

V

pend.=1/rd

VZ

pendiente=1/rZ

Diodos zener (I)

ATE-UO PN 110

VZ = tensión zener o de rupturarZ = resistencia zener

Curva característica asintótica

i

V0

i+

-V

Diodos zener (II)

ATE-UO PN 111

A

K

Circuito equivalente asintótico

V

rd

ideal

A

K

VZ

rZ

ideal

V

pend.=1/rd

VZ

pend.=1/rZ

Curva característicai

V0

i+

-V

Diodos zener (III)

ATE-UO PN 112

A

K

VZ

Circuito equivalente

A

K

ideal

Diodo zener ideal

VZ

ideal

Diodos zener (IV)

ATE-UO PN 113

i+

-V

i

V0

VZ

Circuito estabilizador con zener

Aplicaciones de los diodos zener (I)

VB

RS

Fuente de tensión real

RL

R1

+

-VRL

Si se diseña para que el punto de trabajo del zener esté en la zona de ruptura (zona zener), la tensión en el zener (y por tanto en la carga RL) será constante

Queremos que VRL sea constante

Muyimportante

vst

Diodos zener (V)

ATE-UO PN 114

Circuitos limitadores de tensión

Aplicaciones de los diodos zener (II)

Queremos que Vs

esté acotada entre +VZ1 y -VZ2

Muyimportante

salida de un circuito

+ +

-ve

R1

+

-vs

VZ1

VZ2

veVZ1

-VZ2

Existen 4 posibilidades dependiendo de la naturaleza del metal y del semiconductor (de la “función de trabajo” del metal y del semiconductor):

Caso 1: El semiconductor N cede electrones al metal

Introducción a los contactos metal-semiconductor (I)

ATE-UO PN 115

Zona NMetal

N+++

+++

+ +-------

-N

Iones del donadorElectrones(película estrecha)

Introducción a los contactos metal-semiconductor (II)

ATE-UO PN 116

Zona PMetal

P---

---

- -+

+

+++

++

+

P

Iones del aceptadorFalta de electrones

(película estrecha)

Caso 2: El semiconductor P roba electrones al metal

En los casos 1 y 2 se crea una zona de transición en el semiconductor. En ambos casos se forman las llamadas

“uniones rectificadoras” o “contactos rectificadores”.

Caso 3: El semiconductor N roba electrones al metal

Intr. a los contactos metal-semiconductor (III)

ATE-UO PN 117

Zona NMetal

N+

++++

+

++

-

----

-

--

Electrones(película estrecha)

Falta de electrones (película estrecha)

Caso 4: El semiconductor P cede electrones al metal

Zona PMetal

P

+

++++

+

++

-

----

-

--

Electrones(película estrecha)

Huecos (película estrecha)

En ambos casos se forman los llamados “contactos óhmicos”.

Contactos metal-semiconductor. Caso 1 (el semiconductor N cede electrones al metal)

ATE-UO PN 118

La longitud de la zona de transición, el campo eléctrico y la capacidad de transición se calculan como en una unión PN con la zona P infinitamente dopada.

maxO=

2·q·ND·VO2··VOLZTO=

q·ND

Ctrans = A· pP

pN

e

VU V

T 2·VO

·q·ND

+++

+++

+ +-------

-N

LZTO

Metal

Para calcular la tensión de contacto y las corrientes al polarizar, hay que introducir nuevos conceptos.

Ec

Ev

Estados posibles

Estados posibles

gc(E)

gv(E)

Electrones

Electrones

E

f(E)

10,50

huecos

EF

Revisión de la distribución de electrones en un semiconductor

ATE-UO PN 119

Distribución de electrones en un metal

ATE-UO PN 120

EEstadosposibles

Electrones

vacíos

El nivel de Fermi determina la energía que con una probabilidad 1/2 llegan a alcanzar los electrones. A temperatura ambiente se puede admitir que el nivel de Fermi es el nivel energético de los electrones del metal.

EF

E

f(E)

10,50

Estadosvacíos

EFmElectrones

q·m

q·s

q·Nivel energético del vacío

EC

EV

Estadosvacíos

EFs

Electrones

ElectronesHuecos

Los valores relativos de m y s y el tipo de semiconductor determinan las propiedades de la unión.

Conceptos de función de trabajo (q·) y afinidad electrónica (q·)

ATE-UO PN 121

m >s y semiconductor tipo N (I)

ATE-UO PN 122

Nivel energético del vacío

q·s

q·

EC

EV

EFs

Electrones

Electrones

Estadosvacíos

q·m Estadosvacíos

EFm

Electrones

Al poner en contacto el metal y el semiconductor tipo N, el semiconductor cede electrones al metal. Es el Caso 1.

m >s y semiconductor tipo N (II)

ATE-UO PN 123

Metal N+

+

+

+

+

+

+

+--------

q·

EC

EV

EFs

Electrones

ElectronesEstados vacíos q·s

q·

EC

EV

EFs

Electrones

Electrones

Estadosvacíos


q·m Estadosvacíos

EFm

Electrones

q·(m- s)

q·(m- s)

Barrera de tensión:VO =m- s

m >s y semiconductor tipo N (III)

ATE-UO PN 124

q·s

q·

EC

EV

EFs

Electrones

Electrones

Estadosvacíos


q·m Estadosvacíos

EFm

Electrones

q·(m- s)

q·(m- s)

Metal N++

++-

---

m- s

++

++-

---

q·s

q·

EC

EV

EFs

Electrones

q·(m- s-V)

q·(m- s-V)

-jn

Metal N++

++

----

m- s- V

+ -


EFs

Electrones

q·(m- s-V)

Estadosvacíos

EFm

Electrones

-jn

m >s y semiconductor tipo N (IV)

ATE-UO PN 125


•En polarización directa se establece una corriente de electrones del semiconductor al metal (corriente eléctrica en sentido inverso).

•La corriente crece mucho al crecer la tensión V.

•La corriente eléctrica es sólo de mayoritarios, por lo que en las conmutaciones no va a haber que esperar a que se recombinen minoritarios.

Muyimportante

m >s y semiconductor tipo N (V)

ATE-UO PN 126

q·s

q·

EC

EV

EFs

Electrones

Electrones

Estadosvacíos


q·m Estadosvacíos

EFm

Electrones

q·(m- s)

q·(m- s)

Metal N++

++-

---

m- s

++

++-

---

q·s

q·

EC

EV

EFs

Electrones

q·(m- s-V)

q·(m- s-V)

Metal N++

++

m- s- V

- +++

++

++

++

-

--

--

--

--

--

-

Polarización inversa (V<0)

No hay casi conducción

Muyimportante

m <s y semiconductor tipo P

ATE-UO PN 127


q·s

q·q·m Estadosvacíos

EFm

Electrones

Al poner en contacto el metal y el semiconductor tipo P, el metal cede electrones al semiconductor. Es el Caso 2. Su comportamiento es similar al Caso 1.

EC

EV

EFs

Electrones

Estadosvacíos

Huecos

• Los casos 1 y 2 dan origen a un comportamiento de tipo

“unión semiconductora” (existe barrera de potencial que

evita la difusión y cuya altura se controla con la tensión

exterior aplicada), dando origen a los diodos Schottky.

Características•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

Diodos Schottky

ATE-UO PN 128

Muyimportante

m <s y semiconductor tipo N (I)

ATE-UO PN 129


EC

EV

EFs

Electrones

Electrones

Estadosvacíos q·s

q·q·m

Al poner en contacto el metal y el semiconductor tipo N, el metal cede electrones al semiconductor. Es el Caso 3.

Estadosvacíos

EFm

Electrones

m <s y semiconductor tipo N (II)

ATE-UO PN 130

q·s

q·

q·m

Los electrones pueden pasar libremente desde el metal al semiconductor o viceversa. Con una tensión externa aplicada se consigue desequilibrar este paso en un sentido o en otro, simétricamente. Es un contacto óhmico.

Estadosvacíos

EFm

Electrones

EC

EV

EFs

Electrones

Electrones

Estadosvacíos

Nivel ener. del vacío

Otras uniones metal- semiconductor con comportamiento de contacto óhmico

ATE-UO PN 131

•El caso 4:m >s y semiconductor tipo P

•Con contactos metal-N+-N o metal-P+-P

EC

Estadosvacíos

Electrones

Estadosvacíos

EFm

Electrones

EV

EFs

Metal N+++

++

++

-

--

--

--

--

--

-++

++

++

N++

++

++ -

-

--

--

Electrones

--- - --

Efecto tunel

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?

pP

pNV

nNnPV

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3Longitud [mm]

104

1012

1016

Po

rta

d./c

m3

108

Escala logarítmica

p=100 nsNA=1015 atm/cm3 Lp=0,01 mm

n=100 nsND=1013 atm/cm3 Ln=0,02 mm

Unión de Si P+N- VO=0,477 volt. V=0,3 volt.

Unión dopada asimétricamente (Unión P+N-) (I)

ATE-UO PN 132

Unión dopada asimétricamente (Unión P+N-) (II)

ATE-UO PN 133

nP pN

Unión

Gradiente muy grandeGradiente

muy pequeño

1012

0.5·1012

0

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3Longitud [mm]

Po

rta

d./c

m3

Escala lineal, sólo minoritarios

Calculamos las densidades de corriente de cada tipo de portador. 3·10-3

2·10-3

10-3

0

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3Longitud [mm]

Den

sid

ad d

e co

rrie

nte

[A

/cm

2 ]

jp

jn

Zona P Zona N

Unión dopada asimétricamente (Unión P+N-) (III)

ATE-UO PN 134

3·10-3

2·10-3

10-3

0

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3Longitud [mm]

Den

sid

ad d

e co

rrie

nte

[A

/cm

2 ]

jp

jn

Zona P Zona N

jn

-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5Longitud [m]

3·10-3

2·10-3

10-3

0

Den

sid

ad d

e co

rrie

nte

[A

/cm

2 ]

jp

Zona P Zona N

Unión

jTotal

Muy, muyimportante

La corriente que atraviesa la unión se debe fundamentalmente al mayoritario de la zona muy dopada

La corriente que atraviesa la unión se debe fundamentalmente al mayoritario de la zona muy dopada

La solución a la ecuación de continuidad es:

pN’(x) = C1·e-x/Lp + C2·ex/Lp

Si XN>>Lp (unión “larga”), entonces:

pN(x) = pN+pN0-pN)·e-xLp

Uniones “no largas” (I)

ATE-UO PN135

x XN

+ + + ++

+

++

+ NP

+

+

+

+

+

+

+

+

+ +

+ +

pN(x)pN

pN0

x

¿Qué pasa si la unión no es larga?

• Si no se cumple XN>>Lp (unión “ no larga”), y además pN(0)=pN0 y pN(XN)=pN entonces:

Uniones “no largas” (II)

ATE-UO PN136

pN(x) = pN+pN0- pN·senh ((XN-x)/LP)

senh (XN/LP)

• Si XN<<Lp (“unión corta”) entonces:

senh (a) a y, por tanto:

pN(x) = pN+pN0- pN·(XN-x)/XN

XN

++

+

+

+

+++

++

pN(x)

pN

pN0

x

XN

Muyimportante

pN(x)

pN

pN0

x

XN

jpN

Uniones cortas

ATE-UO PN137

Como: pN(x)=pN+pN0- pN)·(XN-x)/XN

jpN=-q·Dp·dpN/dx = q·Dp·pN0- pN)/XN

Si comparamos este resultado con el de las

uniones largas (jpN= q·Dp·pN0- pN)/LP), lo que cambia es el denominador.

La corriente total será:

i=IS·(eV/VT -1) donde:

IS = A·q· ni2·(Dp/(ND·XN)+Dn/(NA·XP))

Muyimportante

En una unión larga era:

IS = A·q· ni2·(Dp/(ND·LP)+Dn/(NA·LN))

Longitud

jtotal

jpN

jpP jnN

jnP0

Longitud

pNnP0

concentración de minoritarios

Longitud

pNnP

0


jtotal

Longitud

jpNjpP

jnNjnP

0

Uniones largas comparadas con las cortas (I)

ATE-UO PN138

V

Zona Pjtotal

Zona N

Unión largaV

Zona Pjtotal

Zona N

Unión corta

Uniones largas comparadas con las cortas (II)

ATE-UO PN139

Longitud

pNnP0


V

Zona P Zona N

Unión larga

100m

V

Zona P Zona N

Unión corta

Longitud

pNnP

0


1m

•Corta zona neutra baja resistencia, pero peligro de perforación

•Larga zona neutra alta resistencia, pero sin peligro de perforación

•Área grande alto tiempo de recuperación (unión lenta)

•Área pequeña bajo tiempo de recuperación (unión rápida)

Hasta ahora hemos considerado que nN(0+)>> pN(0+),

lo que se llama “bajo nivel de inyección”.

pN(0+)

“Alto nivel de inyección”: En una unión dopada

asimétricamente (P+ N

-) muy polarizada directamente, la

concentración de los mayoritarios de la zona poco dopada llega a

aumentar con respecto al equilibrio, aumentando su conductividad

(modulación de la conductividad).

nN(0+)

pN(0+)Po

rta

d./c

m3

Longitud [mm]

104

1012

1016

108

pP

pN

nN

nP

0,03-0,03 -0,02 -0.01 0 0,01 0,02

Bajo n. de inyección

Po

rta

d./c

m3

0,03-0,03 -0,02 -0,01 0 0,01 0,02104

1012

1016

108

pP

pN

nN

nP

Longitud [mm]

Alto n. de inyección

nN(0+)

Nivel de inyección en uniones PN

ATE-UO PN140

Vinv max =E2

aval· ·(NA+ND)

2·q·NA·ND

La resistencia en conducción se reduce por modulación de la conductividad (aumento en la concentración de

mayoritarios por alta inyección desde P+ y N+ )

La resistencia en conducción se reduce por modulación de la conductividad (aumento en la concentración de

mayoritarios por alta inyección desde P+ y N+ )

Uniones para soportar altas tensiones con baja resistividad

ATE-UO PN141

P+ N-- + N++-

Zona poco dopada para soportar mucha tensión inversa, según la fórmula:

ATE-UO PN 142

Diodos PIN(P-intrínseco-N)

Zona P+ Zona N+Zona intrínseca

P+ - + N+I

-maxO

Campo eléctrico (x) x

Densidad de carga

(x)

x

-q·NA

q·ND

•Alta capacidad de soportar tensión inversa.

•Baja resistencia con polarización directa por modulación de la conductividad.

campo máximo si fuera PN

•Se emplean en microondas como atenuadores y conmutadores.

La unión PN puede:• Ser sensible a la luz fotodiodos y células solares• Emitir luz Diodos Emisores de Luz (LED)

Efecto fotovoltaico (I)

Efectos ópticos en la unión PN

ATE-UO PN 143

P+ -+ -

+ -N+

-Luz (Eluz = h·)

+

-

+

-

Los pares electrón-hueco generados modifican las condiciones de equilibrio térmico de la unión. Se llegará a otras condiciones de equilibrio distintas. Por ejemplo, con la unión en circuito abierto, disminuirá la anchura de la zona de transición y el campo eléctrico y la tensión en ella. Esto significa que aparecerá tensión directa en los contactos metálicos, ya que es la misma situación que teníamos cuando aplicábamos tensión directa externa.

•Calculamos el exceso de minoritarios en ambas zonas en condiciones estáticas según la ecuación de continuidad:

0 = GL-pN’/p+Dp·2pN’/x2

0 = GL-nP’/n+Dn·2nP’/x2

•Suponiendo la unión larga, si repetimos la obtención de la ecuación característica, se obtiene:

i=IS·(eV/VT -1) - Iopt

siendo: Iopt = q·A·GL·(LP + LN)

ATE-UO PN 144

Efecto fotovoltaico (II)

Comportamiento como fotodiodo

Comportamiento como célula fotovoltaica o célula solar

sin luz

GL=0

GL1

GL2

GL3

v

PN

+

-

i

Vi

ATE-UO PN 145

Efecto fotovoltaico (III)

Luz i=IS·(eV/VT -1) - Iopt

Iopt = q·A·GL·(LP + LN)

¡¡Ojo!! la variación de temperatura no genera operación en el tercer cuadrante

i

V

T1

T2

•Como Iopt = q·A·GL·(LP + LN), Lp=(Dp· p)1/2 y Ln=(Dn· n)1/2,

interesa que p y n sean grandes para que Iopt sea grande.

•Para conseguirlo, debe haber pocos “centros de recombinación”, lo que implica cristales muy perfectos.

Células fotovoltaicas o solares

ATE-UO PN 146

0

i v VCA

iCC

P=v·i=cte.

Pmax

Punto de máxima potencia. Interesa que la célula solar trabaje en este punto

P+

N

- - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + +`+

seccción A

Célula solar

Luz

Paneles fotovoltaicos o solares

ATE-UO PN 147

Paneles solares en satélites de

comunicaciones

Fotodiodos (I)

Símbolo

A

K

sin luz

GL=0

GL1

GL2

GL3

v

i

zona de uso

i

VR

t

t

Fotodiodos (II)Uso como fotodetector

ATE-UO PN 148

V1

RiVR

+

-

sin luz

GL=0

GL1

GL2

GL3

v

i

-V1/R

Recta de carga

-V1

Luz

Cuando hay luz sube la tensión en R (y por tanto baja en el fotodiodo)

Cuando hay luz sube la tensión en R (y por tanto baja en el fotodiodo)

Longitud

jtotal

jpN

jpP jnN

jnP0

Longitud

pNnP0


Unión larga en polarización directa

Longitud

pNnP

0


jtotal

Longitud

jpNjpP

jnNjnP

0

Unión corta en polarización directa

No llegan al contacto metálico de la zona N la misma cantidad de huecos que partían del contacto

metálico de la zona P. Luego hay recombinaciones a lo largo de las zonas neutras.

Llegan al contacto metálico de la zona N la misma cantidad de huecos que partían del contacto

metálico de la zona P. Luego no hay recombinaciones a lo largo de las zonas neutras.

Diodos Emisores de Luz (I)

ATE-UO PN 149

¿En qué se manifiesta la energía liberada en

las recombinaciones?

•En el Ge y en el Si las recombinaciones producen calor.

•En compuestos III-V pueden producir radiación luminosa.

•Compuestos Ga As1-x Px (siendo 0<x<1) sirven para generar

radiación desde el infrarrojo (Ga As, Eg=EC-EV=1,43eV) al verde

(Ga P, Eg=2,26eV). Con x=0,4 es rojo (Eg=1,9eV).

•Los dispositivos basados en este principio reciben el nombre de

Light Emitting Diodes (LED).

Símbolo

A

K

Diodos Emisores de Luz (II)

ATE-UO PN 150

0Longitud

Zona P Zona N

inip

b a

V1

Ri

i (en b)

i (en a)

Diodos Emisores de Luz (III)

ATE-UO PN 151

•Cuando el interruptor pasa de “a” a “b”, el diodo LED queda polarizado directamente.

•En cada sección del cristal hay distinto porcentaje de corriente de huecos y de electrones, lo que significa que hay recombinaciones en el proceso de conducción.

•Algunas de estas recombinaciones generan luz.

A K

Diodo LED

a

c

b

d

f

e

g

p.d.

Numeración de los “8” segmentos

Indicador de “displays” de 7 segmentos

“Display” de 7 segmentos

Diodos Emisores de Luz (IV)

ATE-UO PN 152

a

c

b

d

f

e

g

p.d.

Diodos Emisores de Luz (V)

ATE-UO PN 153

a b c d e f g p. d.

Común

“Display” de 7 segmentos de ánodo común

a b c d e f g p. d.

Común

“Display” de 7 segmentos de cátodo común

Diodos Emisores de Luz (VI)

ATE-UO PN 154

a b c d e f g p. d.

Común

“Display” de 7 segmentos de ánodo común

D 1 D 2 D 3 D 4 D 5

a b c d e f g p.d.

V1

R

Esta presentación contiene temas que exceden el nivel y la extensión de la materia. De todos modos...

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