Sin ttulo de diapositiva

1
Polarización inversa i -IS
siendo IS Aqni2(Dp/(NDLp)Dn/(NALn))
La corriente IS depende fuertemente de T (se
dobla cada 10ºC)
Polarización directa i ISeqV/(kT)
La corriente i aumenta con T (prevalece la
tendencia de IS)
2
En ambos caso, para la misma tensión, la
corriente aumenta con la temperatura
Muy importante
3
VO0,596 V
4
Ejemplo 2 (Si) con V0,48 (i544?A)
Ejemplo 1 (Ge) con V0,18 (i566?A)
5
Ge mejor en conducción Si mejor en bloqueo
Muy importante
6
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)

7
Es la dominante con polarización inversa
8
Condensador
Unión PN
Condensador nuevas cargas a la misma distancia
(Ccte.) Unión PN nuevas cargas a distinta
distancia (C???cte.)
9
Partiendo de
CtransdQ/dV?A/LZT
Se obtiene
Muy importante
Es una función del tipo K(VO-V)-1/2
10

• 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.

Muy importante
11
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.
12
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
13
Transición de a a b (apagado), en una escala
amplia (ms o s).
Comportamiento dinámicamente ideal
14
Transición de a a b (apagado), en una escala
detallada (?s o ns).
ts tiempo de almacenamiento (storage time )
tf tiempo de caída (fall time )
trr tiempo de recuperación inversa (reverse
recovery time )
Muy importante
15
Por qué ocurre esto? Porque no habrá capacidad
de bloqeo hasta que las concentraciones de
minoritarios sean menores que las de equilibrio
16
Transición de b a a (encendido)
td tiempo de retraso (delay time ) tr tiempo
de subida (rise time ) tfr td tr tiempo de
recuperación directa (forward recovery time )
El proceso de encendido es más rápido que el
apagado.
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Zonas P y N incomunicadas
18
Zonas P y N comunicadas y sin polarizar (I)
19
Zonas P y N comunicadas y sin polarizar Representa
mos la distribución de los portadores
Estados posibles para los electrones (estados
vacíos)
Estados posibles para los huecos (electrones de
valencia)
20
Zonas P y N comunicadas y sin polarizar Valoración
de las corrientes
jn campo jn difusión 0
jp campo jp difusión 0
21
Polarización inversa (Vlt0). Valoración de las
corrientes
Sin polarizar
Corriente total débil debida a campo eléctrico y
que no varía casi con la tensión inversa (Vlt0)
aplicada
22
Polarización directa (Vgt0). Valoración de las
corrientes
Sin polarizar
Corriente total fuerte debida a difusión, que
varía mucho con la tensión directa (Vgt0) aplicada

23

• 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.
24
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.
El coeficiente de temperatura en este caso es
positivo (al aumentar la temperatura aumenta la
tensión de ruptura.)
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Valores de la longitud de la zona de transición
LZTO y del campo eléctrico máximo EmaxO sin
polarizar (ver ATE-UO PN 27)
Ruptura Zener Dopando muy fuertemente ambas
zonas se puede conseguir que LZTO sea muy pequeña
(lt10-6 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.
El coeficiente de temperatura en este caso es
negativo (al aumentar la temperatura disminuye la
tensión de ruptura)
26
(No Transcript)
27
Corriente casi exclusivamente debida a electrones
de valencia que atraviesan la zona de transición
por efecto tunel
28
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, Erup.

(Vmaxlt0)
29
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
30
Son diodos diseñados para trabajar en zona de
ruptura, cualquiera que sea la causa de ésta
(zener o avalancha).
VZ tensión zener o de ruptura rZ resistencia
zener
31
Curva característica asintótica
32
Diodo zener ideal
Curva característica
33
Aplicaciones de los diodos zener (I)
Circuito estabilizador con zener
Muy importante
Queremos que VRL sea constante
34
Aplicaciones de los diodos zener (II)
Circuitos limitadores de tensión
Queremos que Vs esté acotada entre VZ1 y -VZ2
Muy importante
35
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
36
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.
37
Caso 3 El semiconductor N roba electrones al
metal
Caso 4 El semiconductor P cede electrones al
metal
En ambos casos se forman los llamados contactos
óhmicos.
38
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.
Para calcular la tensión de contacto y las
corrientes al polarizar, hay que introducir
nuevos conceptos.
39
(No Transcript)
40
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.
41
Los valores relativos de Fm y Fs y el tipo de
semiconductor determinan las propiedades de la
unión.
42
Al poner en contacto el metal y el semiconductor
tipo N, el semiconductor cede electrones al
metal. Es el Caso 1.
43
Barrera de tensión VO Fm- Fs
44
Polarización directa
45
Polarización directa

• 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.

Muy importante
46
Polarización inversa (Vlt0)
No hay casi conducción
Muy importante
47
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.
48

• 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.

Muy importante
49
Al poner en contacto el metal y el semiconductor
tipo N, el metal cede electrones al
semiconductor. Es el Caso 3.
50
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.
51

• El caso 4 Fm gt Fs y semiconductor tipo P
• Con contactos metal-N-N o metal-P-P

Efecto tunel
52
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?
53
(No Transcript)
54
Muy, muy importante
55
La solución a la ecuación de continuidad
es pN(x) C1e-x/Lp C2ex/Lp Si XNgtgtLp
(unión larga), entonces pN(x)
pN????pN0-?pN?)e-x?Lp
Qué pasa si la unión no es larga?
56

• Si no se cumple XNgtgtLp (unión no larga), y
  además pN(0)pN0 y pN(XN)pN?? entonces

• Si XNltltLp (unión corta) entonces
• senh (a) a y, por tanto
• pN(x) pN?? (pN0- pN?)(XN-x)/XN

Muy importante
57
Como pN(x)pN?(pN0- pN?)(XN-x)/XN jpN-qDpdp
N/dx qDp(pN0- pN?)/XN
Si comparamos este resultado con el de las
uniones largas (jpN qDp(pN0- pN?)/LP), lo que
cambia es el denominador. La corriente total
será iIS(eV/VT -1) donde IS Aq
ni2(Dp/(NDXN)Dn/(NAXP))
Muy importante
En una unión larga era IS Aq
ni2(Dp/(NDLP)Dn/(NALN))
58
(No Transcript)
59

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

• Corta zona neutra Þ baja resistencia, pero
  peligro de perforación

60
Hasta ahora hemos considerado que nN(0)gtgt
pN(0), lo que se llama bajo nivel de inyección.
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).
61
La resistencia en conducción se reduce por
modulación de la conductividad (aumento en la
concentración de mayoritarios por alta inyección
desde P y N )
62

• Alta capacidad de soportar tensión inversa.

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

• Se emplean en microondas como atenuadores y
  conmutadores.

63

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

Efecto fotovoltaico (I)
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.
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• Calculamos el exceso de minoritarios en ambas
  zonas en condiciones estáticas según la ecuación
  de continuidad
• 0 GL-pN/?pDp?2pN/?x2
• 0 GL-nP/?nDn?2nP/?x2
• Suponiendo la unión larga, si repetimos la
  obtención de la ecuación característica, se
  obtiene
• iIS(eV/VT -1) - Iopt

siendo Iopt qAGL(LP LN)
65
iIS(eV/VT -1) - Iopt Iopt qAGL(LP LN)
66

• Como Iopt qAGL(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.

67
Fotodiodos (I)
68
Cuando hay luz sube la tensión en R (y por tanto
baja en el fotodiodo)
69
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.
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.
70

• 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 0ltxlt1) sirven para
  generar radiación desde el infrarrojo (Ga As,
  EgEC-EV1,43eV) al verde (Ga P, Eg2,26eV). Con
  x0,4 es rojo (Eg1,9eV).
• Los dispositivos basados en este principio
  reciben el nombre de Light Emitting Diodes (LED).

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• 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.

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)