UnionPN_diodos

7/17/2019 UnionPN_diodos

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SEMICONDUCTORES, UNIÓN PN, DIODOS

Conducción Eléctrica

La corriente eléctrica es debida al arrastre de electrones en presencia de un campo E.

El flujo de corriente depende de:

La Intensidad del campo eléctrico Cantidad (concentración) de electrones libres en el material

Movilidad de los electrones en ese material.




Materiales Semiconductores

Materiales con una conductividad del orden de 11. !ienen "ran cantidad deportadores de car"a libre# lo $ue posibilita la conducción eléctrica. Los principales son:

%imples (materiales del "rupo I&):

'%ilicio (%i)

'ermanio (e)

Compuestos:

' rseniuro de alio (as)

%e"*n las caracter+sticas principales# un clasificación puede ser:

Conductores Aislantes Semiconductores

ρ !cm" 1,- 11 11

n cm#$" 1 1 11

Enlaces co%alentes

/ara romper uno de los enlaces covalentes 0a $ue aplicar una ener"+a de .2 e& (%i) ó

1.1 e& (e) 3 Ener&'a de ioni(ación!




Semiconductores Intr'nsecos

!ienen estructura cristalina. E4isten el mismo n*mero de portadores positivos

(0uecos) $ue ne"ativos (electrones). Es un semiconductor puro (sin impure5as# sin

dopado).

n 3 concentración electrones

p 3 concentración de 0uecos

n 6 p 6 ni

concentración intr'nseca"

%u conductividad es debida a los electrones a los 0uecos:

)( pni pn qnq pqn µ µ µ µ σ +⋅⋅=⋅⋅+⋅⋅=

En los semiconductores intr+nsecos:

!7 8 ni 77 8 µ 9 8 7




Semiconductores e)tr'nsecos

%e introducen en el material mediante un proceso de ;dopado< impure5as donadoras(tipo n# =tomos del "rupo &) o aceptoras (tipo p# =tomos del "rupo III).

>onadoras:

?>6?>@@ e,

n 6 p @ ?>

@

ceptoras:

? 6 ? , @ 0@

p 6 e @ ? ,

!ipo n

!ipo p

La conductividad viene a0ora dada por:

!ipo n: 6n$µn !ipo p: 6n$µp

parecen las corrientes de difusión. Las part+culas tienden a dispersarse desdere"iones de alta concentración a re"iones de baja.

Acurre cuando no es

0omo"énea la distribución de

portadores en la pastilla

semoconductora.




%e produce una difusión de portadores un campo eléctrico $ue se opone a esta

corriente de difusión. Cuantas m=s car"as se difundan# maor ser= este campo 0asta$ue lle"ue un momento en el $ue se produce el e$uilibrio din=mico.

DI*USIÓN + ARRASTRE

UNIÓN PN

%e puede considerar como un semiconductor condistribución no 0omo"énea de portadores.

?>(4)3 5ona n

?>(4)B 5ona p

?>(4)6 unión metal*r"ica




Corrientes de diusión

%on debidas al "radiente de concentración en el dopado del semiconductor. Es unfenómeno estad+stico debido a la a"itación térmica no a repulsión de car"as de distinto o

i"ual si"no.

p() p(4)

J p

46 4

Esta corriente de difusión va desde el sector de maor

concentración al de menor. La densidad de corriente se

puede calcular por:

>onde D p es la constante de difusión de 0uecos (m2 /seg )

dx

dpqD J p p −=

Relación de Einstein- !anto µ como D son fenómenos estad+sticos no sonindependientes. %e relacionan por: :

T

n

n

p

pV

D D==

µ µ

>onde V T es el potencial e$uivalente de temperatura# k es la constante de ol5man q la

car"a del electrón. !6DF (temperatura ambiente)# &!6.G volts.

q

KT V

T =




Corriente total

Cuando e4isten simult=neamente un "radiente de potencial un "radiente de

concentración en un semiconductor# aparecen la corriente de difusión la de arrastre. /ara

el caso de los 0uecos viene dada por:

H para los electrones: dx

dpqD pV q J p p p −= µ

Ecuación de continuidad

La concentración de electrones 0uecos es función del espacio del tiempo.

%iendo i"ual para el caso de los electrones

x J

q p p

t p p

p

o

∂∂−−=∂∂ 1τ

dx

dn

qDnV q J nnn += µ




In.ección de car&a de /ortadores minoritarios

Consideremos una barra de semiconductor $ue se dopa uniformemente con =tomos donadores# de manera

$ue n6?> (la concentración) es independiente de la posición. %i# debido a una radiación# se "eneran

portadores minoritarios (tipo p). Como varia la concentración de estos en fución de 4.

46

radiación

!ipo n (n6?>)

/o

p(4)

p()

p(4)

p(4)6p(4),p es la concentración inectada

%e asume $ue Ip se debe por entero a la

difusión# mientras $ue en los e aparece la

corriente de despla5amiento. La lon"itud de

difusión de 0uecos es:

%iendo τp el tiempo de vida media de los

0uecos.

p p p D L τ =

La concentración de minoritarios inectados

(e4ceso de minoritarios)

0

/)()0(')(' p x pe p x p p L x−==

−)1()0(' )/( −= KT qV

no

e P p




s+ pues# las corrientes $uedan:

Corrientes de diusiónLa corriente de difusión de 0uecos (minoritarios) es I P =AJ P . Lue"o:

Este resultado se emplea para 0allar la corriente en un diodo semiconductor. H se puededemostrar $ue la corriente de difusión de electrones es:

[ ] p p L x

p

p L x

p

p

p e p p L

AqDe

L

p AqD x I

/

0

/)0(

)0(')(

−− −==

p

p

nnn De I

D

D

dx

dp AqD

dx

dn AqD I ===

Corrientes de des/la(amiento

Como la barra semiconductora se encuentra en circuito abierto# la corriente total debe ser .>ebe e4istir una corriente de maoritarios (electrones):

0=

−+

p

pn

nd p D

I D I I A sea $ue

p

p

nnd I

D

D I

−= 1

Con lo $ue la corriente de despla5amiento de los electrones tb disminue e4ponencialmente

con la distancia 4.




0ariación de /otencial

%e considera a0ora el caso de una unión abrupta. La mitad de la barra es de tipo n

(concentración N D) la otra mitad de tipo p (N A). Como la densidad de car"a cambia

bruscamente en la unión 3 dopado en escalón

NOTA- En e1uili2riotérmico

n3/+ni4

parece un potencial entre

las dos secciones:

Potencial de contacto V 0

0

0

0 lnn

p

T p

pV V =

Como pp6 concentración de 0uecos en el e$uilibrio en el lado p pn 6 concentración de0uecos en el lado n. H pn 6ni

J?>

? ?>

Unión metal5r&ica

20 lni

D A

T

n

N N V V = )1()0(' )/( −= KT qV

no e P p




Unión /#n en circuito a2ierto

Inicialmente sólo 0a portadores tipo p en la

parte positiva de la unión portadores tipo nen la ne"ativa. >ebido al "radiente de

concentración en la unión# los 0uecos se

difunden 0acia la parte ne"ativa viceversa.

parece la 5ona de transición o de car"a

espacial.

/ n

ρ

E

0

Densidad de car&a

Cam/o Eléctrico

ε

ρ

∫ dxε

ρ

∫ Ε −= dxV Potencial Eléctrico

El campo se opone a $ue si"a 0abiendo

corriente de difusión




La caracter+stica esencial de la unión p,n es $ue permite con facilidad el paso de

car"as en un dirección se opone en otra debido a esa barrera de potencial.

Polari(ación In%ersaLa corriente es debida a las pocas part+culas de tipo p del lado n las ne"ativas del lado p

(minoritarios). Es la corriente in%ersa de saturación del diodo (I 0 ).

/ ? La altura de la barrera de potencial aumenta.

/ ?

Polari(ación Directa

%e reduce la barrera de potencial (se estrec0a la 5ona de car"a

espacial. %e incrementa la corriente de 0uecos desde el lado p al lado

n electrones desde el lado n al p 3 corrientes de minoritarios de

inección.

Las corrientes de despla5amiento o arrastre de minoritarios pueden despreciarse. A sea

$ue la corriente de minoritarios se debe a la difusión. Esta corriente decrece

e4ponencialmente al alejarnos de la unión.




Com/onentes de corriente en un diodo /#n

/ n

0I

In/6"

I/n6"

Corriente total en eldiodo

)+6

I/n)" + corriente de

diusión de 7uecos

In/)" + corriente dediusión de electrones I/n6"8In/6"

H la corriente de difusión de minoritarios viene dada por: [ ]0

)0()0(nn

p

p

pn p p

L

AqD I

−= dem=s# pn() depende del potencial de la unión a $ue el potencial

disminue van mas portadores a la unión.

T V V

nn e p p /

0)0( ⋅=

Corriente total del diodo I/n6"8In/6"

)1()0( / −= T V V

p

no p

pn e

L

p AqD I

%ustituendo en la anterior:

)1( /

0

−= T V V e I I




2

0 i

An

n

D p

pn

N L

D

N L

D Aq I

+= Corriente in%ersa de saturación

Com/onentes de la corriente de ma.oritarios

En cual$uiera de las dos re"iones del diodo la corriente total es constante varia

e4ponencialmente con la distancia a la unión. /or ello debe e4istir una corriente de

maoritarios. En la re"ión tipo n:

Esta corriente de maoritarios tiene una componente debida a difusión otra al

despla5amiento.

)()( x I I x I pnnn −=

Corriente totalRe&ión de transición 6,9

m"

Inn, corriente electrones

I/n, corriente diusión 7uecos

I//, corriente 7uecos

In/, corriente diusión electrones

Re&ión /Re&ión n




Caracter'stica Tensión#corriente

La corriente I se relaciona con la tensión & mediante la e4presión:

)1( /

0 −= T V V e I I

η

600.11

T V T =>onde:

temperatura ambiente# T=300ºK # V T 6 .G 6 G m&. /ara el ermanio η =1 para el

silicio η =2.

I

0

I6

0:

0

I

I6

Diodo Ideal Diodo real

6!;

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