Diapositiva 1

1
Asignatura Electrónica
Tema 3 Diodo de unión PN
2

• Tema 3 EL DIODO DE UNIÓN PN
• Uniones PN. Diagrama de bandas de energía y
  potencial de contacto.
• Ecuaciones de una unión PN abrupta en equilibrio
  térmico.
• Característica I-V de un diodo PN Caso ideal.
• Fenómenos de segundo orden. Desviaciones de la
  característica ideal.
• Cargas y Capacidades en un diodo PN.
• Modelo de control de carga y transitorios ON-OFF.
• Comportamiento en pequeña señal y circuito
  equivalente.
• Modelos de SPICE para diodos PN.

3

• Tema 3 EL DIODO DE UNIÓN PN
• Descripción
• Se estudia la solución de las ecuaciones básicas
  de los semiconductores no homogéneos y con
  condiciones de contorno impuestas por la
  existencia de interfaces y contactos.
• Se introducen las principales aproximaciones que
  nos permiten estudiar las uniones del
  semiconductor tipo P con el de tipo N en
  equilibrio térmico.
• Se explica que las uniones p-n son muy
  importantes por su utilización en los
  dispositivos de microelectrónica modernos y
  porque sus principios de funcionamiento ayudan a
  entender otro tipos de dispositivos
  semiconductores.

4

• Tema 3 EL DIODO DE UNIÓN PN
• Descripción
• Es el primer tema del núcleo central de la
  asignatura el dedicado a los dispositivos
  semiconductores.
• Se comienza por el más simple el diodo. Se
  analiza su estructura interna y su comportamiento
  en las diferentes regiones de operación que queda
  descrito mediante las curvas características.
• Se estudia su funcionamiento en conmutación y
  distintos ejemplos de transitorios.

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• Tema 3 EL DIODO DE UNIÓN PN
• Objetivos
• Conocer la formación y características de la
  unión P-N abrupta en equilibrio potencial de
  contacto, condiciones de equilibrio y zonas de
  carga espacial.
• Distinguir entre las distintas regiones físicas
  de la unión PN.
• Caracterizar el comportamiento de los diodos a
  través de las curvas características.
• Conocer los mecanismos de ruptura ruptura Zener
  y por avalancha.

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• Tema 3 EL DIODO DE UNIÓN PN
• Objetivos
• Encontrar la expresión matemática de las cargas
  en la región de transición y en las regiones
  neutras
• Conocer los modelos de pequeña señal y gran señal
  del diodo.
• Analizar el comportamiento del diodo en
  conmutación. Modelo de control de carga.
• Conocer los diferentes modos de trabajo del diodo
  dependiendo de la señal y utilizar adecuadamente
  sus modelos.

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• Tema 3 EL DIODO DE UNIÓN PN
• Bibliografía
• Básica
• Neud89a, Neud94a Referencias concretas y
  pormenorizadas para abordar, ampliar y matizar
  los apuntes del tema.
• Sing94, Sing00, Shur90, Yang88, Mull86,
  Anto93 Referencias más generales para ampliar
  y profundizar en los contenidos tanto teóricos
  como prácticos de la asignatura. Muchos ejemplos
  y problemas que pueden contribuir a aclarar
  conceptos, despertar el interés por la asignatura
  y estimular el esfuerzo personal del alumno.
  Estos libros aportan otra visión complementaria a
  los apuntes desarrollados de la asignatura, pero
  son básicos e importantes para su comprensión y
  estudio.
• Complementaria
• Bar93, Stre90, Sze81, Sze01, Sze06
  Referencias que ofrecen la posibilidad a los
  alumnos de abordar aspectos nuevos, que si bien
  no se tratan explícitamente en la asignatura,
  podrían resultarles útiles en otras materias de
  la licenciatura referidas a la rama de
  electrónica.

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Estructura de la Unión PN
X
(Punto donde Nd-Na es nulo)
9
Unión PN abrupta Condiciones de Equilibrio
Estudio Cualitativo de la Electrostática del
Equilibrio
gradiente de portadores
Aproximaciones del estudio del Dispositivo
integrado 1) Estudio monodimensional 2) Unión
Metalúrgica en X0 3) Unión escalón desde NA
hasta ND con regiones p y n dopadas
uniformemente 4) Contactos Óhmicos perfectos, muy
alejados de la unión metalúrgica.
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Unión PN abrupta Condiciones de Equilibrio
Estudio Cualitativo de la Electroestática del
Equilibrio

• Equilibrio Sin agentes externos
• sin tensión aplicada,
• sin iluminación que incida sobre el dispositivo,
  
• sin gradientes térmicos y
• sin aplicación de campo eléctrico.

gradiente de portadores
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Unión PN abrupta Condiciones de Equilibrio
Estudio Cualitativo de la Electroestática del
Equilibrio

• Equilibrio Sin agentes externos
• sin tensión aplicada,
• sin iluminación que incida sobre el dispositivo,
  
• sin gradientes térmicos y
• sin aplicación de campo eléctrico.

gradiente de portadores
Si ponemos en contacto ambos tipos de
semiconductores y aún no se ha alcanzado el
equilibrio, se produce un gradiente en la
concentración de h y e-, dando lugar a un
proceso de difusión.
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Unión PN abrupta Condiciones de Equilibrio
Estudio Cualitativo de la Electroestática del
Equilibrio

• Equilibrio Sin agentes externos
• sin tensión aplicada,
• sin iluminación que incida sobre el dispositivo,
  
• sin gradientes térmicos y
• sin aplicación de campo eléctrico.

PROCESO DE DIFUSIÓN
gradiente de portadores
Los e- del lado n, inicialmente se difunden en el
material tipo p, donde la concentración de e- es
baja
Los h del lado p, inicialmente se difunden en el
material tipo n, donde la concentración de h es
baja
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Unión PN abrupta Condiciones de Equilibrio
Estudio Cualitativo de la Electroestática del
Equilibrio

• Equilibrio Sin agentes externos
• sin tensión aplicada,
• sin iluminación que incida sobre el dispositivo,
  
• sin gradientes térmicos y
• sin aplicación de campo eléctrico.

PROCESO DE DIFUSIÓN
gradiente de portadores
Los e- del lado n, inicialmente se difunden en el
material tipo p, donde la concentración de e- es
baja
Los h del lado p, inicialmente se difunden en el
material tipo n, donde la concentración de h es
baja
Los e- que primero se irán son aquellos que están
más cerca de la unión
Los h que primero se irán son aquellos que están
más cerca de la unión
14
Unión PN abrupta Condiciones de Equilibrio
Estudio Cualitativo de la Electroestática del
Equilibrio

• Equilibrio Sin agentes externos
• sin tensión aplicada,
• sin iluminación que incida sobre el dispositivo,
  
• sin gradientes térmicos y
• sin aplicación de campo eléctrico.

PROCESO DE DIFUSIÓN
gradiente de portadores
Cada portador se mueve dejando tras de sí un ión
inmóvil en la red cristalina de polaridad opuesta
a la suya
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Unión PN abrupta Condiciones de Equilibrio
Estudio Cualitativo de la Electroestática del
Equilibrio

• Equilibrio Sin agentes externos
• sin tensión aplicada,
• sin iluminación que incida sobre el dispositivo,
  
• sin gradientes térmicos y
• sin aplicación de campo eléctrico.

PROCESO DE DIFUSIÓN
gradiente de portadores
Aparece una región de impurezas negativas no
compensadas a la izquierda y una región de
impurezas positivas no compensadas a la derecha
16
Unión PN abrupta Condiciones de Equilibrio
Estudio Cualitativo de la Electroestática del
Equilibrio

• Equilibrio Sin agentes externos
• sin tensión aplicada,
• sin iluminación que incida sobre el dispositivo,
  
• sin gradientes térmicos y
• sin aplicación de campo eléctrico.

PROCESO DE DIFUSIÓN
gradiente de portadores
En resumen el resultado de la difusión es una
región virtualmente vacía de portadores móviles
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Unión PN abrupta Condiciones de Equilibrio
Estudio Cualitativo de la Electroestática del
Equilibrio
gradiente de portadores
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Unión PN abrupta Distribución de Portadores
Situación Inicial
Si las partes están infinitamente alejadas ya
hemos estudiado sus características en equilibrio
tipo n
tipo p
Nivel de Fermi por encima del Nivel de Fermi
Intrínseco
Nivel de Fermi por debajo del Nivel de Fermi
Intrínseco
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Unión PN abrupta Distribución de Portadores
Situación Inicial
Si las partes están infinitamente alejadas ya
hemos estudiado sus características en equilibrio
tipo n
tipo p
Nivel de Fermi por encima del Nivel de Fermi
Intrínseco
Nivel de Fermi por debajo del Nivel de Fermi
Intrínseco
Discontinuidad en el dopado
20
Unión PN abrupta Distribución de Portadores
Zona donde apenas hay portadores libres
21
Unión PN abrupta Potencial de Contacto
En la zona de transición se produce un
curvamiento de las Bandas de Energía ya que
existe un Campo Eléctrico
Zona de Transición
El Potencial de Contacto, Vbi, de una medida de
ese curvamiento de las Bandas
qVbi
Ef
Tipo n
Tipo p
x

• Campo eléctrico que se opone a la difusión.
• Se crea en la zona de transición debido a los
  iones inmóviles no compensados

22
Unión PN abrupta Potencial de Contacto
23
Unión PN abrupta Región de Transición
24
Unión PN abrupta Región de Transición

• Densidad de Carga, rq(Nd-Nap-n)
• Fuera de la región de transición neutralidad de
  cargas (zonas masivas uniformemente dopadas en
  equilibrio)r0.
• Dentro de la región de transición
• rq(Ndp-n) 0ltxltxn
• rq(-Nap-n) -xpltxlt0
• Aproximación de empobrecimiento dentro de la
  región de transición no hay portadores sólo
  impurezas ionizadas (p-nltltNd-Na)
• Entonces
• rqNd 0ltxltxn
• r-qNa -xpltxlt0

25
Unión PN abrupta Región de Transición

• Densidad de Carga, rq(Nd-Nap-n)
• Fuera de la región de transición neutralidad de
  cargas (zonas masivas uniformemente dopadas en
  equilibrio)r0.
• Dentro de la región de transición
• rq(Ndp-n) 0ltxltxn
• rq(-Nap-n) -xpltxlt0
• Aproximación de empobrecimiento dentro de la
  región de transición no hay portadores sólo
  impurezas ionizadas (p-nltltNd-Na)
• Entonces
• rqNd 0ltxltxn
• r-qNa -xpltxlt0

26
Unión PN abrupta Región de Transición

• Densidad de Carga, rq(Nd-Nap-n)
• Fuera de la región de transición neutralidad de
  cargas (zonas masivas uniformemente dopadas en
  equilibrio)r0.
• Dentro de la región de transición
• rq(Ndp-n) 0ltxltxn
• rq(-Nap-n) -xpltxlt0
• Aproximación de empobrecimiento dentro de la
  región de transición no hay portadores sólo
  impurezas ionizadas (p-nltltNd-Na)
• Entonces
• rqNd 0ltxltxn
• r-qNa -xpltxlt0

27
Unión PN abrupta Región de Transición

• Densidad de Carga, rq(Nd-Nap-n)
• Fuera de la región de transición neutralidad de
  cargas (zonas masivas uniformemente dopadas en
  equilibrio)r0.
• Dentro de la región de transición
• rq(Ndp-n) 0ltxltxn
• rq(-Nap-n) -xpltxlt0
• Aproximación de empobrecimiento dentro de la
  región de transición no hay portadores sólo
  impurezas ionizadas (p-nltltNd-Na)
• Entonces
• rqNd 0ltxltxn
• r-qNa -xpltxlt0

28
Unión PN abrupta Región de Transición

• Densidad de Carga, rq(Nd-Nap-n)
• Fuera de la región de transición neutralidad de
  cargas (zonas masivas uniformemente dopadas en
  equilibrio)r0.
• Dentro de la región de transición
• rq(Ndp-n) 0ltxltxn
• rq(-Nap-n) -xpltxlt0
• Aproximación de empobrecimiento dentro de la
  región de transición no hay portadores sólo
  impurezas ionizadas (p-nltltNd-Na)
• Entonces
• rqNd 0ltxltxn
• r-qNa -xpltxlt0

29
Unión PN abrupta Región de Transición

• En la región de transición se cumple
• QQ- gt NaxpNdxn
• Teorema de Gauss Campo eléctrico
• Extremos de la región de transición
• Campo eléctrico máximo en la unión metalúrgica
• Integramos el campo Potencial

Neutralidad
30
Unión PN abrupta Región de Transición

• Podemos calcular otra expresión de Vbi
• Con la condición de neutralidad de carga en la
  región de transición (NaxpNdxn) y con Vbi
  podemos encontrar una expresión de la anchura de
  la región transición

31
Unión PN abrupta Región de Transición

• Podemos calcular otra expresión de Vbi
• Con la condición de neutralidad de carga en la
  región de transición (NaxpNdxn) y con Vbi
  podemos encontrar una expresión de la anchura de
  la región transición

Problema Propuesto Suponiendo que en un
semiconductor estamos en equilibrio térmico a)
Demuestre que el campo eléctrico y la diferencia
de potencial entre dos puntos del material vienen
dadas por las expresiones mostradas a
continuación
32
Unión PN abrupta Región de Transición

• Podemos calcular otra expresión de Vbi
• Con la condición de neutralidad de carga en la
  región de transición (NaxpNdxn) y con Vbi
  podemos encontrar una expresión de la anchura de
  la región transición

Problema Propuesto b) Utilice dicho resultado
para obtener p(x) y n(x) en la región de
transición.
p(x)
n(x)
33
Unión PN abrupta Campo Externo
Contactos ideales
34
Unión PN abrupta Campo Externo
35
Diodo de Unión Característica I-V (I)
Análisis Cualitativo
Unión PN polarizada en directa (Vgt0, VltVbi)

• predominan las corrientes de difusión de frente
  al arrastre.
• inyección de portadores desde la región donde
  son mayoritarios hasta la otra.
• Igt0 y I altas incluso para valores no muy altos
  de V.
• además la inyección de mayoritarios es mayor a
  mayor dopado.

I
36
Diodo de Unión Característica I-V (I)
Análisis Cualitativo
Unión PN polarizada en inversa (Vlt0)

• predominan las corriente de arrastre frente a la
  difusión.
• El campo eléctrico arrastra a los minoritarios de
  ambos lados. el número de minoritarios es
  limitado.
• Ilt0 y muy pequeñas.

I
37
Diodo de Unión Característica I-V (II)
Objetivo deducir una relación de primer orden
para If(V) en la unión

• Para obtener la característica I-V habría que
  resolver la ecuación de continuidad en cada
  región de la unión
• región neutra p
• región neutra n
• región de transición

suponemos Vcte
38
Diodo de Unión Característica I-V (II)
Objetivo deducir una relación de primer orden
para If(V) en la unión
Vj

-

• Para obtener la característica I-V habría que
  resolver la ecuación de continuidad en cada
  región de la unión
• región neutra p
• región neutra n
• región de transición

suponemos Vcte
Aproximaciones de partida
39
Diodo de Unión Característica I-V (II)
Objetivo deducir una relación de primer orden
para If(V) en la unión
Vj

-

• Para obtener la característica I-V habría que
  resolver la ecuación de continuidad en cada
  región de la unión
• región masiva p
• región masiva n
• región de transición

suponemos Vcte
Aproximaciones de partida
Vj f (xn)-f(xp)Vbi-V
Caída de potencial en la región de transición
despreciamos caídas óhmicas en las regiones
neutras y en los contactos
40
Diodo de Unión Característica I-V (II)
Objetivo deducir una relación de primer orden
para If(V) en la unión
Vj

-

• Para obtener la característica I-V habría que
  resolver la ecuación de continuidad en cada
  región de la unión
• región masiva p
• región masiva n
• región de transición

suponemos Vcte
Aproximaciones de partida
Vj f (xn)-f(xp)Vbi-V
Upn/tp Unp/tn
41
Diodo de Unión Característica I-V (II)
Objetivo deducir una relación de primer orden
para If(V) en la unión
Vj

-

• Para obtener la característica I-V habría que
  resolver la ecuación de continuidad en cada
  región de la unión
• región masiva p
• región masiva n
• región de transición

suponemos Vcte
Aproximaciones de partida
Vj f (xn)-f(xp)Vbi-V
densidades de corrientes permanecen constante
x(x)xequilibrio
arrastredifusión
desbalance de las densidades de corriente es
pequeño
42
Diodo de Unión Característica I-V (III)
X ?
jT(x) jp(x)jn(x) jp(xn)jn(-xp)
Estado Estacionario
jn(-xp)
jp(xn)
-xp
x
xn
Región Transición U0
43
Diodo de Unión Característica I-V (III)
X ?

• Resolvemos la concentraciones de portadores
  minoritarios en las regiones neutras porque
  podemos despreciar las corrientes de arrastre y
  simplificar el estudio.
• Se busca una solución de corriente continua, en
  estado estacionario, es decir, todos los términos
  en d/dt en las ecuaciones de continuidad son
  nulos.
• Con estas hipótesis...

44
Diodo de Unión Característica I-V (III)
X ?

• Resolvemos la concentraciones de portadores
  minoritarios en las regiones neutras porque
  podemos despreciar las corrientes de arrastre y
  simplificar el estudio.
• Se busca una solución de corriente continua, en
  estado estacionario, es decir, todos los términos
  en d/dt en las ecuaciones de continuidad son
  nulos.
• Con estas hipótesis...

45
Diodo de Unión Característica I-V (III)
X ?

• Resolvemos la concentraciones de portadores
  minoritarios en las regiones neutras porque
  podemos despreciar las corrientes de arrastre y
  simplificar el estudio.
• Se busca una solución de corriente continua, en
  estado estacionario, es decir, todos los términos
  en d/dt en las ecuaciones de continuidad son
  nulos.
• Con estas hipótesis...

46
Diodo de Unión Característica I-V (III)
X ?
47
Diodo de Unión Característica I-V (III)
X ?
Condiciones de contorno 1) Contacto Ideal 2)
48
Diodo de Unión Característica I-V (III)
X ?
49
Diodo de Unión Característica I-V (IV)
50
Diodo de Unión Característica I-V (IV)
Lp
Lpdistancia dentro de la región masiva en la
cual los portadores en exceso han caído el 37 de
su valor respecto al borde de la región de
transición
51
Diodo de Unión Característica I-V (IV)
Diodo de Base Larga
Ejercicio propuesto Derivar las densidades de
corriente para diodos de Base Corta
52
Diodo de Unión Característica I-V (V)
Vgt0 y diodo de Base Larga
portadores minoritarios
Vlt0 y diodo de Base Larga
portadores minoritarios
53
Diodo de Unión Característica I-V (VI)
Las corrientes de mayoritarios se obtienen
restando de la total la de minoritarios
altas y positivas
mayoritarios
mayoritarios
mayoritarios
mayoritarios
minoritarios
minoritarios
minoritarios
minoritarios
pequeñas y negativas
54
Diodo de Unión Característica I-V (VII)
55
Diodo de Unión Característica I-V (VIII)
Característica I-V Ideal (Shockley)
Intensidad Inversa de saturación Caso genérico
Diodo largo
Diodo Corto
Silicio 10-16A ----- 10-13A
Valores típicos de Io
Germanio 10-10 A ------- 10-7A
56
Diodo de Unión Característica I-V (VI)
Ecuación Shockley
Aproximación lineal a tramos
I0 si VltVg VVg, Igt0
I
Símbolo del diodo
tipo n
tipo p
Iref
V
Vg
Polarización Directa
Vg
Polarización Inversa (Vlt0)
Polarización Directa (Vgt0)
Polarización Inversa
Diodo "Ideal"
!NO CONFUNDIR!
57
Diodo de Unión Característica I-V (VI)
Funcionamiento de la Unión pn para distintas
polarizaciones
58
Efectos de Segundo Orden (I)

• Generación/recombinación en la región de
  transición
• En general, hace que la dependencia sea
• Io no se mantiene constante, crece con V
  inversa.
• Más acusada en Silicio.

con 1ltnlt2.
59
Efectos de Segundo Orden (II)

• Alta inyección de portadores para tensiones
  directas elevadas
• Corrección a la baja para tensiones directas muy
  altas
• Teníamos la aproximación de bajo nivel de
  inyección en las regiones neutras
• Pero si Vgtgt0
• En este caso la intensidad seguirá una ley
  análoga pero
• Normalmente se da el valor de la corriente donde
  comienza la alta inyección

60
Efectos de Segundo Orden (III)

• Caídas óhmicas en las regiones neutras
• se modela con una resistencia muy baja ( pocos
  O)
• ahora el nuevo potencial de la unión es

Caída óhmica zona P
Caída óhmica zona N
Empieza a tener influencia para I grandes
61
Efectos de Segundo Orden (IV)

• FENÓMENOS DE RUPTURA Se producen para V
  negativas y altas
• Dos mecanismos causantes
• (a) avalancha (portadores acelerados) ocurre en
  cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el
  origen es muy alto
• el campo eléctrico acelera a los electrones.
• estos electrones chocan con la red cristalina,
  con los enlaces covalentes.
• choca el electrón y rebota, pero a VRuptura la
  velocidad de este es muy grande y, por ello, su
  energía cinética es tan grande que al chocar cede
  energía al electrón ligado y lo convierte en
  libre.
• el electrón incidente sale con menos velocidad
  que antes del choque.
• en conclusión, de un electrón libre obtenemos
  dos electrones libres.
• estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden
  chocar contra otro electrón de un enlace
  covalente, ceden su energía... y se repite el
  proceso y se crea una Multiplicación por
  Avalancha.
• La intensidad del dispositivo ha aumentado
  muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy
  grande.

62
Efectos de Segundo Orden (IV)

• FENÓMENOS DE RUPTURA Se producen para V
  negativas y altas
• Dos mecanismos causantes
• (a) avalancha (portadores acelerados) ocurre en
  cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el
  origen es muy alto
• el campo eléctrico acelera a los electrones.
• estos electrones chocan con la red cristalina,
  con los enlaces covalentes.
• choca el electrón y rebota, pero a VRuptura la
  velocidad de este es muy grande y, por ello, su
  energía cinética es tan grande que al chocar cede
  energía al electrón ligado y lo convierte en
  libre.
• el electrón incidente sale con menos velocidad
  que antes del choque.
• en conclusión, de un electrón libre obtenemos
  dos electrones libres.
• estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden
  chocar contra otro electrón de un enlace
  covalente, ceden su energía... y se repite el
  proceso y se crea una Multiplicación por
  Avalancha.
• La intensidad del dispositivo ha aumentado
  muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy
  grande.

63
Efectos de Segundo Orden (I)

• FENÓMENOS DE RUPTURA Se producen para V
  negativas y altas
• Dos mecanismos causantes
• (a) avalancha (portadores acelerados) ocurre en
  cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el
  origen es muy alto
• el campo eléctrico acelera a los electrones.
• estos electrones chocan con la red cristalina,
  con los enlaces covalentes.
• choca el electrón y rebota, pero a VRuptura la
  velocidad de este es muy grande y, por ello, su
  energía cinética es tan grande que al chocar cede
  energía al electrón ligado y lo convierte en
  libre.
• el electrón incidente sale con menos velocidad
  que antes del choque.
• en conclusión, de un electrón libre obtenemos
  dos electrones libres.
• estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden
  chocar contra otro electrón de un enlace
  covalente, ceden su energía... y se repite el
  proceso y se crea una Multiplicación por
  Avalancha.
• La intensidad del dispositivo ha aumentado
  muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy
  grande.

64
Efectos de Segundo Orden (IV)

• FENÓMENOS DE RUPTURA Se producen para V
  negativas y altas
• Dos mecanismos causantes
• (a) avalancha (portadores acelerados) ocurre en
  cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el
  origen es muy alto
• el campo eléctrico acelera a los electrones.
• estos electrones chocan con la red cristalina,
  con los enlaces covalentes.
• choca el electrón y rebota, pero a VRuptura la
  velocidad de este es muy grande y, por ello, su
  energía cinética es tan grande que al chocar cede
  energía al electrón ligado y lo convierte en
  libre.
• el electrón incidente sale con menos velocidad
  que antes del choque.
• en conclusión, de un electrón libre obtenemos
  dos electrones libres.
• estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden
  chocar contra otro electrón de un enlace
  covalente, ceden su energía... y se repite el
  proceso y se crea una Multiplicación por
  Avalancha.
• La intensidad del dispositivo ha aumentado
  muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy
  grande.

65
Efectos de Segundo Orden (IV)

• FENÓMENOS DE RUPTURA Se producen para V
  negativas y altas
• Dos mecanismos causantes
• (a) avalancha (portadores acelerados) ocurre en
  cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el
  origen es muy alto
• el campo eléctrico acelera a los electrones.
• estos electrones chocan con la red cristalina,
  con los enlaces covalentes.
• choca el electrón y rebota, pero a VRuptura la
  velocidad de este es muy grande y, por ello, su
  energía cinética es tan grande que al chocar cede
  energía al electrón ligado y lo convierte en
  libre.
• el electrón incidente sale con menos velocidad
  que antes del choque.
• en conclusión, de un electrón libre obtenemos
  dos electrones libres.
• estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden
  chocar contra otro electrón de un enlace
  covalente, ceden su energía... y se repite el
  proceso y se crea una Multiplicación por
  Avalancha.
• La intensidad del dispositivo ha aumentado
  muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy
  grande.

66
Efectos de Segundo Orden (IV)

• FENÓMENOS DE RUPTURA Se producen para V
  negativas y altas
• Dos mecanismos causantes
• (a) avalancha (portadores acelerados) ocurre en
  cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el
  origen es muy alto
• el campo eléctrico acelera a los electrones.
• estos electrones chocan con la red cristalina,
  con los enlaces covalentes.
• choca el electrón y rebota, pero a VRuptura la
  velocidad de este es muy grande y, por ello, su
  energía cinética es tan grande que al chocar cede
  energía al electrón ligado y lo convierte en
  libre.
• el electrón incidente sale con menos velocidad
  que antes del choque.
• en conclusión, de un electrón libre obtenemos
  dos electrones libres.
• estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden
  chocar contra otro electrón de un enlace
  covalente, ceden su energía... y se repite el
  proceso y se crea una Multiplicación por
  Avalancha.
• La intensidad del dispositivo ha aumentado
  muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy
  grande.

67
Efectos de Segundo Orden (IV)

• FENÓMENOS DE RUPTURA Se producen para V
  negativas y altas
• Dos mecanismos causantes
• (a) avalancha (portadores acelerados) ocurre en
  cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el
  origen es muy alto
• el campo eléctrico acelera a los electrones.
• estos electrones chocan con la red cristalina,
  con los enlaces covalentes.
• choca el electrón y rebota, pero a VRuptura la
  velocidad de este es muy grande y, por ello, su
  energía cinética es tan grande que al chocar cede
  energía al electrón ligado y lo convierte en
  libre.
• el electrón incidente sale con menos velocidad
  que antes del choque.
• en conclusión, de un electrón libre obtenemos
  dos electrones libres.
• estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden
  chocar contra otro electrón de un enlace
  covalente, ceden su energía... y se repite el
  proceso y se crea una Multiplicación por
  Avalancha.
• La intensidad del dispositivo ha aumentado
  muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy
  grande.

68
Efectos de Segundo Orden (IV)

• FENÓMENOS DE RUPTURA Se producen para V
  negativas y altas
• Dos mecanismos causantes
• (a) avalancha (portadores acelerados) ocurre en
  cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el
  origen es muy alto
• el campo eléctrico acelera a los electrones.
• estos electrones chocan con la red cristalina,
  con los enlaces covalentes.
• choca el electrón y rebota, pero a VRuptura la
  velocidad de este es muy grande y, por ello, su
  energía cinética es tan grande que al chocar cede
  energía al electrón ligado y lo convierte en
  libre.
• el electrón incidente sale con menos velocidad
  que antes del choque.
• en conclusión, de un electrón libre obtenemos
  dos electrones libres.
• estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden
  chocar contra otro electrón de un enlace
  covalente, ceden su energía... y se repite el
  proceso y se crea una Multiplicación por
  Avalancha.
• La intensidad del dispositivo ha aumentado
  muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy
  grande.

69
Efectos de Segundo Orden (IV)

• FENÓMENOS DE RUPTURA Se producen para V
  negativas y altas
• Dos mecanismos causantes
• (a) avalancha (portadores acelerados) ocurre en
  cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el
  origen es muy alto
• el campo eléctrico acelera a los electrones.
• estos electrones chocan con la red cristalina,
  con los enlaces covalentes.
• choca el electrón y rebota, pero a VRuptura la
  velocidad de este es muy grande y, por ello, su
  energía cinética es tan grande que al chocar cede
  energía al electrón ligado y lo convierte en
  libre.
• el electrón incidente sale con menos velocidad
  que antes del choque.
• en conclusión, de un electrón libre obtenemos
  dos electrones libres.
• estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden
  chocar contra otro electrón de un enlace
  covalente, ceden su energía... y se repite el
  proceso y se crea una Multiplicación por
  Avalancha.
• La intensidad del dispositivo ha aumentado
  muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy
  grande.

70
Efectos de Segundo Orden (V)

• FENÓMENOS DE RUPTURA Se producen para V
  negativas y altas
• Dos mecanismos causantes
• (b) efecto zener ocurre en diodos fuertemente
  dopados en ambos lados de la unión metalúrgica
• Ef está muy cerca de EC y EV
• y se reduce la anchura de la barrera de
  potencial tanto como para permitir el paso de e-
  de la BV de la parte P a la BC de la parte N
• La intensidad del dispositivo ha aumentado
  muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy
  grande.

71
Efectos de Segundo Orden (V)

• FENÓMENOS DE RUPTURA Se producen para V
  negativas y altas
• Dos mecanismos causantes
• (b) efecto zener ocurre en diodos fuertemente
  dopados en ambos lados de la unión metalúrgica
• Ef está muy cerca de EC y EV
• y se reduce la anchura de la barrera de
  potencial tanto como para permitir el paso de e-
  de la BV de la parte P a la BC de la parte N
• La intensidad del dispositivo ha aumentado
  muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy
  grande.

rampa 1/rz
Usamos una aproximación de la característica
mediante una recta de pendiente 1/rz IZK
intensidad a partir de la cual el diodo empieza a
comportarse como diodo Zener
72
Cargas en la Región de Transición Capacidad de
Unión
Capacidad de Unión asociamos una capacidad a
variaciones incrementales de las cargas en la
región de transición con variaciones de tensión
73
Cargas en la Región de Transición Capacidad de
Unión
Capacidad de Unión asociamos una capacidad a
variaciones incrementales de las cargas en la
región de transición con variaciones de tensión
Variaciones en V implican variaciones en Qj gt
efecto condensador
Carga incremental respecto al equilibrio
74
Cargas en la Región de Transición Capacidad de
Unión
Capacidad de Unión asociamos una capacidad a
variaciones incrementales de las cargas en la
región de transición con variaciones de tensión
Carga incremental respecto al equilibrio
75
Cargas en las Regiones Neutras Capacidad de
Difusión
Base corta
Qp y Qn no son iguales !
Base Larga
76
Cargas en las Regiones Neutras Capacidad de
Difusión
Supongamos Base Larga y Zona N
Existe una relación entre Qp y jp(xn)
vida media de portadores minoritarios
Análogamente, existe una relación entre Qn y
jn(-xp)
77
Cargas en las Regiones Neutras Capacidad de
Difusión
Supongamos Base Corta y Zona N
Tiempo de Tránsito Depende de la Longitud de la
Región neutra n
78
Cargas en las Regiones Neutras Capacidad de
Difusión
En general
Los valores de Q y t dependerán del dopado y de
las dimensiones del diodo
ojo! Con los subindices de los tiempos de
tránsito
79
Cargas en las Regiones Neutras Capacidad de
Difusión
En general
Comparación de Capacidades de unión y difusión
Capacidad de unión
Si Vlt0 domina la capacidad de unión. Si Vgt0
predomina la capacidad de difusión
Capacidad de difusión
Vgt0
Vlt0
Vlt0
Vgt0
80
Modelo Dinámico del Diodo
Frecuencia de variación de V(t) mucho menor que
la inversa de los tiempos de tránsito de los
portadores minoritarios
81
Modelo de Control de Carga (I)
Resolvemos la ecuación de continuidad para los
portadores minoritarios en exceso en las zonas
masivas
82
Modelo de Control de Carga (II)
83
Modelo de Control de Carga (III)
Pasamos por una sucesión de estados estacionarios
Es la concentración del contorno la que varía con
el tiempo
84
Modelo de Control de Carga (IV)
En resumen
variaciones de la carga en la región de transición
variaciones de la carga en las regiones neutras
Modelo equivalente en gran señal (no hemos tenido
en cuenta efectos de 2º orden)
tiempo de tránsito (Base Corta) ó vida media
(Base Larga)
Cj(V)
qv(t)
Q(t)/t
Q(t)
85
Modelo de Control de Carga (IV)
En resumen
variaciones de la carga en la región de transición
variaciones de la carga en las regiones neutras
Modelo equivalente en gran señal (no hemos tenido
en cuenta efectos de 2º orden)
Si Vlt0 gt Cj(V) Si Vgt0 gt despreciamos la
capacidad de unión
Cj(V)
qv(t)
Q(t)/t
Q(t)
86
Ejemplos de Transitorios
DON
con pulso de tensión
DOFF
portadores minoritarios almacenados en las
regiones masivas
87
Transitorio de Corte (II)
hemos descargado los portadores minoritarios en
exceso en las regiones masivas
en todo el intervalo el DON
IFVF/R IRVR/R
88
Transitorio de Corte (III)
Tiempo que tarda la corriente del diodo en llegar
a un cierto estado de desconexión
Como en todo este intervalo DOFF no podemos
considerar vD(t)ltlt-VR
Modelo de control de carga en inversa
89
Transitorio de Corte (IV)
vD(0)
vD(8)
iD(tr)-0.1IR
90
Modelo en Pequeña Señal (I)
Punto fijado por una fuente en DC, Vo Variaciones
pequeñas en AC, Dv
Dv
VVoDv
DIgmDv
Punto de Operación, Q
Vo
Aproximación válida para Dvlt4UT
Respuesta a Vo
DI (Respuesta a Dv)
Conductancia de Pequeña Señal
91
Modelo en Pequeña Señal (II)
Polarización Inversa, Volt0
Polarización Directa, Vogt0
92
Modelo del Diodo en SPICE (I)
93
Modelo del Diodo en SPICE (II)