Semiconductores

Tema 1: Teoría de Semiconductores
INDICE
1. Semiconductor intrínseco
2. Conducción por huecos (h+) y electrones (e-)
3. Semiconductor extrínseco: material tipo N
(MTN) y tipo P (MTP)
4. Deriva y difusión de portadores
5. La unión P-N: polarización inversa (PI) y
polarización directa (PD)
6. Comportamiento de la unión P-N en altas
frecuencias: Capacidad de Transición (Cj) y
Capacidad de Difusión (Cdif).
Electrónica Analógica
1º Licenciatura en Radioelectrónica Naval
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Tema 1: Teoría de Semiconductores
GENERALIDADES
Tipos de materiales:
A) Conductor
B) Aislante
C) Semiconductor
Tipos de semiconductores:
A) Intrínseco: origen natural
B) Extrínseco: origen antropológico
Tipos de semiconductores extrínsecos:
A) Tipo N: donante de eB) Tipo P: donante de h+
Corrientes en un semiconductor:
A) Producida por eB) Producida por h
+
⊕
Corriente total
Corrientes en la unión P-N
A) Sin polarizar: deriva y difusión
B) Polarizada: PD y PI
Capacidades en la unión P-N
A) Capacidad de transición
B) Capacidad de difusión
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SEMICONDUCTOR INTRINSECO
•Materiales: Si, Ge, GaAs.
•Estructura Si: retícula formada por enlaces
covalentes .
CONDUCCIÓN POR ELECTRONES
•Electrón libre : generado al romperse un enlace
a una Tª>27ºC.
•V à corriente de electrones
CONDUCCIÓN POR HUECOS
•Hueco: generado a partir del e- libre, carga
positiva.
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•Concentración de h+ y e- serán iguales: ni=pi
•V à corriente de huecos
GENERACION Y RECOMBINACIÓN
•Generación: de e- y h+
directamente
proporcional a la Tª.
•Recombinación: los h+ serán ocupados por los
e- que pasen cerca. Aumenta con mayores
concentraciones de e- y h+ à Tª
•Tiempo de vida (τ): tiempo que “viven” los
portadores hasta que se recombinan.
•Ley de acción de masas: p * n = cte à
Semiconductor intrínseco p=n à p*n = ni2
LA CONDUCTIVIDAD DE UN SEMICONDUCTOR
INTRINSECO AUMENTA CON LA TEMPERATURA
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MATERIAL SEMICONDUCTOR TIPO N
•Objetivo: aumentar la corriente
•Añadir material pentavalente (DONANTE) à esin dejar h+.
•V à
I
mayoritaria
de
e(Portadores
mayoritarios)
à
I
minoritaria
de
h+
(Portadores
minoritarios)
•El donante pasará a ser un ión positivo.
• n = p + ND
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MATERIAL SEMICONDUCTOR TIPO P
•Objetivo: aumentar la corriente
•Añadir material trivalente (ACEPTADOR) à
introduce h+.
•V à I
mayoritaria de h+ (Portadores mayoritarios)
à
I
minoritaria
de
e(Portadores
minoritarios)
•El aceptador pasará a ser un ión negativo.
• p = n + NA
DERIVA
•Los portadores se mueven por agitación
térmica, al chocar salen despedidos en
direcciones aleatorias.
•Campo E à obliga a los portadores a tomar una
dirección y una velocidad à DERIVA
•La deriva es proporcional al E según una
constante de movilidad diferente para e- y para
h+.
Vn=-µnE
Vp=µpE
µn >µp
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UNIÓN PN
•Se forma al unir MTP con MTN
•Aparece CORRIENTE DE DIFUSION à los h+ y
los e- pasarán al otro material con la intención
de recombinarse.
•Quedan iones en las zonas más cercanas a la
uniónà Zona de deplexión (ZD)
•ZD à Campo E
•E detiene el paso de portadores
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•Queda
una
pequeña
I
de
portadores
minoritarios (e- y h+) que se crean en la unión
térmicamente y son dirigidos por E.
UNION PN POLARIZADA INVERSAMENTE
•V apoya el trabajo del campo E originado por
ZD.à Aumenta ZD al alejarse los portadores.
•I de minoritarios independiente de V.
•Ecuación de Shockley:
iD=IS[Exp (vD/nVT) –1]
•En PI vD<0 à iD=-Isà Corriente de Saturación
UNION PN POLARIZADA DIRECTAMENTE
•V se opone al trabajo del campo E originado
por ZD.
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•h+ cruza la unión cuando V supera a E, e igual
e-.
•La I total se deberá al paso de e- al MTP y de
h+ al MTN, mayoritaria de e- en MTN y
mayoritaria de h+ en MTP.à Controlables por
dopaje.
COMPORTAMIENTO EN ALTA FRECUENCIA
•Capacidad de transicion: tiene lugar durante
la PI. Queda dos placas conductoras cargadas
con polaridad inversa y una zona aislante. C no
será cte depende de V de forma no lineal
Cj= |dQ/dV|
Capacidad para un valor concreto de una
pequeña señal alterna, depende de la
geometría del cristal, dopaje (proporcional).
•Capacidad de difusión: Unión PN con MTP
muy dopado, muchos se recombinan al cruzar
pero muchos no quedándose acumulados
mientras haya PD.
Cdif=τpIDQ/VT
VT =KT/q
Así, cuanto más carga pase (IDQ) y más tiempo
vivan en el otro lado (τp)mayor será la
acumulación de carga.
•Ambas C son un problema en conmutación, ya
que tendrán que deshacerse de esa carga
cuando cambien de PD a PI.
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Material Semiconductor Tipo N......................... 5
Material Semiconductor Tipo P ......................... 6
Deriva .......................................................... 6
Unión Pn ....................................................... 7
Union Pn Polarizada Inversamente ................... 8
Union Pn Polarizada Directamente .................... 8
Comportamiento En Alta Frecuencia ................. 9
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