Sensores Generadores - Facultad de Informática

Tecnología y Sistemas Optoelectrónicos
aplicados a la Informática
Introducción a los
Semiconductores
1.
INTRODUCCIÓN A LOS SEMICONDUCTORES. .................................................................... 2
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
1.8.
1.9.
2.
ESTRUCTURA DE BANDAS. ......................................................................................................... 2
PORTADORES DE CORRIENTE: ELECTRONES Y HUECOS. ............................................................ 3
AGITACIÓN TÉRMICA. DISTRIBUCIÓN DE FERMI-DIRAC. ........................................................... 4
GENERACIÓN Y RECOMBINACIÓN .............................................................................................. 5
IMPULSIÓN. ................................................................................................................................ 6
IMPUREZAS DONADORAS Y ACEPTADORAS. SEMICONDUCTORES N Y P...................................... 7
LA UNIÓN P-N. ............................................................................................................................ 9
EL TRANSISTOR BIPOLAR......................................................................................................... 12
EL TRANSISTOR DE EFECTO CAMPO MOS. .............................................................................. 14
SENSORES FOTOVOLTAICOS ................................................................................................. 19
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
EFECTO FOTOVOLTAICO ........................................................................................................... 19
EL FOTODIODO ......................................................................................................................... 20
DIODOS PIN ............................................................................................................................. 21
FOTODIODOS DE BARRERA SCHOTTKY ..................................................................................... 22
FOTOTRANSISTORES ................................................................................................................. 22
Depto. de Tecnología Fotónica
Facultad de Informática
Universidad Politécnica de Madrid
Mayo 2003
Rev.: Noviembre 2005
Julio Gutiérrez Ríos
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
1. Introducción a los Semiconductores.
Es sabido que los semiconductores pueden conducir corriente eléctrica mediante dos
tipos de portadores que son los electrones y los huecos. La carga de los electrones es
negativa (-1.6022×10-19 C), mientras que la de los huecos es exactamente de la misma
magnitud, pero positiva. Esto es lo que se denomina conducción bipolar y por eso
muchos dispositivos que se basan en ella reciben el nombre de dispositivos bipolares.
Los electrones que sirven como portadores de corriente son solamente aquéllos cuya
ligazón con los núcleos de los átomos del semiconductor es débil y, por tanto, son
susceptibles de moverse por la aplicación de un campo eléctrico externo. Estos
electrones son quasi libres porque tienen un nivel alto de energía.
1.1. Estructura de Bandas.
Los semiconductores tienen una configuración electrónica tal que existe una banda de
energías que no puede estar ocupada por ningún electrón. Ésta es la que se denomina
banda prohibida (BP). La parte superior a la banda prohibida sí puede estar ocupada. Y
los electrones que la ocupan son los que hemos denominado quasi libres y constituyen
portadores de corriente. Por ello, a esta banda de energías superiores a la banda
prohibida se le llama banda de conducción (BC). La banda de energías que se encuentra
por debajo de la banda prohibida se halla prácticamente repleta de electrones que, sin
embargo, por estar ligados a los átomos, no son portadores de corriente. A esta banda se
le denomina banda de valencia (BV) y recibe su nombre porque los electrones de la
misma que se encuentran al borde de la banda prohibida son los electrones de valencia
responsables de los enlaces entre los átomos (ver Fig. 1).
La configuración electrónica mencionada se debe a que si considerásemos un átomo
aislado, éste tendrá sus niveles estables de energía caracterizados por los números
cuánticos. Como es sabido, los electrones en los átomos no pueden tener una energía
cualquiera, sino sólo aquellos niveles que cumplen las leyes de la mecánica cuántica. En
dichos niveles los electrones se mueven alrededor del núcleo de forma estable, esto es,
sin alterar su energía y por consiguiente, no radian. En estado normal, los niveles
ocupados más externos son los niveles de valencia y sus electrones son los electrones de
valencia. Ahora bien, por diferentes causas tales como la agitación térmica o absorción
de energía electromagnética, los electrones de valencia pueden abandonar su nivel
normal de valencia y pasar a ocupar otro nivel estable de energía superior. En este caso,
los electrones de valencia están excitados y se encuentran menos ligados al núcleo.
A su vez, los electrones excitados pueden retornar a su estado normal liberando la
diferencia de energía entre el nivel excitado y el normal en forma de fotón o cuanto
elemental de energía electromagnética. Si la energía del nivel excitado es Ee y la del
nivel normal es En, el fotón emitido al caer un electrón desde el nivel excitado al nivel
normal será E = Ee - En, y dicha energía se relaciona con la frecuencia ν de la radiación
mediante la constante de Planck (h = 6.63·10-34 J-s) de la siguiente forma:
E = Ee − En = h ⋅ν
(1)
Ahora bien, la materia sólo podría considerarse compuesta por átomos aislados cuando
se trata de un gas en el que la interacción entre los átomos es muy reducida. En un
sólido, como es el caso de los semiconductores habituales (Si, Ge, AsGa, SbIn···), la
2
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
interacción entre los átomos es por naturaleza muy fuerte (se establecen enlaces) y, en
consecuencia, los átomos ya no se comportan como si estuvieran aislados.
Si el material es prácticamente puro (semiconductor intrínseco) y el sólido ha podido
formarse ordenadamente, la distribución de los átomos es regular, en cuyo caso se dice
que el sólido constituye un cristal y los átomos forman una red cristalina.
Naturalmente, la estructura de la red cristalina depende de la naturaleza de los átomos y
del tipo de enlaces que se establezcan. Pero en cualquier caso, los niveles estables de
energía propios de los átomos aislados dejan de ser discretos para pasar a una densa
distribución de niveles en un cierto intervalo alrededor del nivel original del átomo
aislado. Esto sucede por el principio de exclusión de Pauli según el cual en un mismo
sólido no pueden existir electrones con la misma energía. Por tanto, en el momento que
un cúmulo de átomos se acercan y enlazan entre sí para formar un sólido en red, los
niveles de energía se expanden en bandas de energía que tienen tal densidad de niveles
que perfectamente pueden considerarse bandas continuas.
Banda de Conducción
Ee
EC
Banda Prohibida
En
Banda de Valencia
Átomo
Aislado
Eg
EV
Semiconductor
Fig. 1: Niveles discretos de energía del átomo aislado en comparación con las bandas de
energía de un semiconductor.
En la Fig. 1 se puede apreciar la estructura de bandas de un semiconductor, vista en
relación con los niveles discretos de un átomo aislado. En dicha estructura aparece la
banda prohibida (BP) ya descrita, junto con las bandas de conducción (BC) y de
valencia (BV). Llamaremos EC a la energía del fondo de la BC, EV a la del tope de la
BV y Eg a la diferencia entre ambas que es la anchura de la BP (energía del gap).
1.2. Portadores de Corriente: Electrones y Huecos.
Como ya se ha dicho, los electrones presentes en la BC constituyen portadores de
corriente, ya que se encuentran muy poco ligados a los núcleos de los átomos y, por
tanto, pueden moverse con facilidad. También habíamos dicho que los electrones en la
BV no son portadores de corriente porque éstos sí están muy ligados a los núcleos. Pues
bien, aquí se produce un fenómeno muy importante: tratándose de un semiconductor
intrínseco, todos los electrones de la BC son electrones excitados que proceden de la
BV. Por tanto, la presencia de electrones en la BC implica también la presencia de
lugares vacíos en la banda de valencia. Estos lugares vacíos de la BV reciben el nombre
de huecos y tienen la particularidad de que, siendo entidades inmateriales por
naturaleza, se comportan como partículas de la misma carga eléctrica que el electrón ( 1.6022·10-19 C) pero de signo positivo.
La explicación de este fenómeno es la siguiente: en efecto, los electrones de la banda de
valencia están muy ligados y no se mueven por la acción de un campo eléctrico externo,
excepto en el caso de los electrones que tienen un lugar vacío (hueco) al lado. En este
caso, los electrones son susceptibles de moverse sin salir de la BV porque pueden pasar
3
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
fácilmente a ocupar los lugares vacíos, dejando a su vez un hueco en el lugar donde se
encontraban antes. Por consiguiente, da la sensación de que son los huecos los que se
mueven como burbujas en una masa de electrones.
Así pues, los huecos de la BV son portadores de corriente prácticamente tan ligeros
como lo son los electrones de la BC. Por tanto, cuando se aplica un campo eléctrico a un
semiconductor se establece una corriente de electrones de la BC que viajan en sentido
contrario al campo eléctrico por tener carga negativa y, al mismo tiempo, se establece
una corriente de huecos que viajan en el sentido del campo por ser cargas positivas.
Conviene aclarar que ambas corrientes se suman aunque sus respectivos portadores
viajan en sentido opuesto, ya que también son opuestas las cargas y el sentido
convencional de la corriente es el mismo para ambas. Por tanto, la corriente es bipolar
porque se debe a dos tipos de portadores de polaridad distinta. En la Fig. 2 se muestra
una representación simbólica de ello.
EC
Sentido Convencional
EV
Fig. 2: Conducción bipolar en los semiconductores
1.3. Agitación Térmica. Distribución de Fermi-Dirac.
Si no hubiera agitación térmica en el sólido, la BV estaría completamente llena de
electrones mientras que la BC estaría completamente vacía. Pero esto sólo sucedería si
la temperatura fuera el cero absoluto (T = 0 ºK). En consecuencia, igual que en el átomo
aislado los electrones de valencia pueden absorber energía y pasar al nivel excitado, en
el seno de un semiconductor siempre hay electrones excitados que han adquirido
energía suficiente para abandonar la BV y pasar a la BC. Según lo descrito, en el caso
de un semiconductor puro (semiconductor intrínseco), la cantidad de electrones en la
banda de conducción es la misma que la de huecos en la banda de valencia ya que cada
hueco se debe siempre a un electrón que ha subido a la BC. Por ello, se suele hablar de
la generación de pares electrón-hueco ya que la generación de un electrón de
conducción implica la aparición de un hueco. Naturalmente, ya que la energía de
excitación procede en general de la energía térmica de la red cristalina, la concentración
de electrones y huecos depende de la temperatura. En efecto, la probabilidad de
ocupación de los estados de energía, es decir, la probabilidad de que un nivel de energía
E esté ocupado por un electrón siempre que dicho nivel no se encuentre en la banda
prohibida (en cuyo caso la probabilidad es cero), viene dada por la distribución de
Fermi-Dirac f(E) cuya expresión es la siguiente:
f (E ) =
1
exp[(E − E f ) k B T ] + 1
4
(2)
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
donde kB es la constante de Boltzman (kB = 1.3807·10-23 J/ºK), T la temperatura absoluta
y Ef es el llamado nivel de Fermi en el cual, como se comprueba fácilmente, la
probabilidad de ocupación es ½. indepen-dientemente de la temperatura.
En la Fig. 3 se puede ver una representación gráfica de la distribución de Fermi-Dirac
según (2) para el caso del Si (similar para otros semiconductores con la diferencia
fundamental de la anchura de la BP). Obsérvese que en el cero absoluto de temperatura,
la probabilidad conmuta bruscamente del 0 al 1 en el nivel de Fermi. Cuando la
temperatura es superior, la distribución es gradual y simétrica respecto a su punto de
corte con el nivel de Fermi. Hay dos zonas sombreadas: una representa la probabilidad
de ocupación f(E) en la BC, mientras que el significado de la otra es la probabilidad de
desocupación [1- f(E)] en la BV. Por tanto, la
magnitud de la primera zona sombreada
determina la concentración de electrones en la
BC y la de la segunda, la concentración de
huecos en la BV. Así, la conductividad del
semiconductor es proporcional a la suma de
ambas, pues ésta reúne la concentración de
portadores de corriente (electrones y huecos).
Dada la simetría de la distribución, se ve
fácilmente que en un semiconductor intrínseco,
el nivel de Fermi ha de estar en el centro de la
banda prohibida pues, de otra forma, la
concentración de huecos sería diferente a la de
electrones. Al mismo tiempo, se puede
apreciar la fuerte dependencia de la
conductividad con la temperatura. Este es el
fundamento de diversos dispositivos, tales
como los termistores.
Fig. 3: Distribución de Fermi Dirac
1.4. Generación y Recombinación
De la misma forma que un electrón de valencia de un átomo aislado puede absorber
energía y pasar a un nivel excitado y viceversa, en un semiconductor se establecen
transiciones de electrónes entre la banda ce valencia y la de conducción.
El proceso por el cual un electrón sube a la BC dejando un hueco en la BV es lo que se
llama generación.el. El proceso contrario por el cual un electrón de la BC cae a la BV
haciendo desaparecer un hueco de la misma es lo que se llama recombinación.
En un semiconductor a temperatura normal los procesos de generación y recombinación
se producen continuamente en gran número y a grandes velocidades. Por ejemplo, el
tiempo de vida medio de un para electrón-hueco en el Si es de unos 100 ns. a la
temperatura ambiente (300 ºK), siendo la concentración de huecos y electrones del Si
intrínseco a la misma temperatura de 1.5×1010 cm-3. En situación de equilibrio térmico,
la generación y la recombinación se contrarrestan, de forma que la concentración de
portadores se mantiene constante.
La energía que necesita un electrón para dar el salto entre la BV y la de conducción
puede ser proceder de diferentes fuentes. Una de ellas, la más habitual y que siempre
existe, como se vio en la sección anterior, es la agitación térmica de la propia red
5
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
cristalina. Esto es lo que se denomina generación térmica. Pero otra posibilidad muy
importante es la absorción de un fotón con energía suficiente según (1) para provocar
este salto. Es decir, la energía hν del fotón ha de ser igual o superior a la anchura de la
banda prohibida Eg. En este caso se trata de generación electromagnética y constituye
el fundamento del efecto fotoconductivo y de dispositivos como las fotoresistencias, así
como del efecto fotovoltaico.
Asimismo la recombinación puede producirse, bien por devolución de la energía del
salto a los átomos del sólido, lo que se traduce en agitación de la red, o bien se puede
producir por la emisión de un fotón. El salto es como mínimo de una energía igual a la
anchura de la BP, esto es, Eg = EC - EV. Pero como la probabilidad de ocupación de la
banda de conducción es mayor en la parte baja y la probabilidad de desocupación de la
BV es mayor en la parte alta, resulta que la gran mayoría de los fotones emitidos tienen
una energía muy próxima a la anchura de la BP (Eg) y la luz emitida en conjunto es
bastante monocromática, es decir, los fotones tienen todos frecuencias muy próximas
entre sí:
E ≈ E g = EC − EV = h ⋅ν
(3)
El que la recombinación sea predominantemente emisiva o no, es una propiedad del
semiconductor como se verá en la sección siguiente.
1.5. Impulsión.
La dualidad entre las teorías ondulatoria y corpuscular que había planteado Max Planck
fue resuelta por De Broglie al enunciar la naturaleza ondulatoria de las partículas,
relacionando la impulsión o cantidad de movimiento ‘p’ con la longitud de onda
mediante la fórmula de De Broglie:
p=
h
λ
= ⋅k ;
p = ⋅k
(4)
donde h es la constante de Planck, ћ = h/2π, λ la longitud de onda, k el número de onda
(k= 2π/λ) y k el vector de onda cuyo módulo es el número de onda y cuya dirección y
sentido son los de propagación de la onda. A la vista de (4) se comprende fácilmente
que las partículas materiales a nivel macroscópico conllevan una longitud de onda
infinitamente pequeña, de forma que su naturaleza como onda es completamente
imperceptible.
Si se tratara de electrones en el espacio libre cuya masa es m0, la energía de los mismos
estaría relacionada con la impulsión de la siguiente forma:
p2
2k 2
E=
=
2m0
2m0
(5)
Dependencia que tiene la forma de una parábola.
Sin embargo, siendo que los electrones se mueven en el seno de una red cristalina,
resulta que los electrones de conducción y los huecos de la banda de valencia están
sujetos a una dinámica distinta, de forma que la energía no sólo depende de la impulsión
sino también de la dirección en la que el electrón se mueve dentro del cristal.
6
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
E
E
Eg = 1.42 eV
Eg = 1.11 eV
k
[111]
k
[111]
[100]
Silicio
[100]
Arseniuro de Galio
Fig. 4: Energía en función de la impulsión para el Si y el AsGa
En la Fig. 4 se ha representado esta función Energía – Impulsión para el Si y el AsGa en
dos orientaciones cristalográficas distintas para cada una ([100] y [111]). De esta figura
se deduce una carcterística importante: en el caso del AsGa el mínimo de la BC y el
máximo de la BV se encuentran en un mismo valor de la impulsión. En este caso se dice
que el semiconductor es de Banda Directa. Sin embargo, esto no sucede para el caso del
Si y, entonces, se dice que el semiconductor es de Banda Indirecta. La importancia de
ello radica en que en los semiconductore de banda directa no requieren un cambio en la
impulsión para hacer una transición de energía de la magnitud de la BP, esto es Eg. Por
tanto, en los semiconductores de banda directa son fáciles las recombinaciones con
emisión de un fotón y por tanto, son materiales eficientes para la emisión de luz.
Igualmente sucede con la generación de pares electrón-hueco mediante la absorción de
fotones. Sin embargo, en los semiconductores de banda indirecta, una recombinación
conlleva un cambio sustancial en la impulsión del electrón de froma que se hace
necesaria una colisión con los átomos de la red, con lo que la pérdida de energía se
realiza en forma de calor y el material no emite luz. Las colisiones también pueden ser
entre electrones.
Son semiconductores de banda directa en AsGa, el SbGa, el PIn, el AsIn y el SbIn.
Mientras que son semiconductores de banda indirecta el Si, el Ge, el PAl, el AsAl, el
SbAl y el PGa.
1.6. Impurezas Donadoras y Aceptadoras. Semiconductores n y p.
Lo anteriormente expuesto se corresponde con los semiconductores intrínsecos que,
como su nombre indica, están exentos de impurezas.
Sin embargo, lo que realmente permite la utilización de los semiconductores para la
realización de dispositivos electrónicos es la posibilidad doparles, esto es, introducirles
impurezas con características bien definidas en el proceso de fabricación. Dichas
impurezas son elementos que se agregan al semiconductor en cantidades minúsculas y
que vienen a sustituir a algunos de los átomos de la red cristalina del semiconductor
original. Si los átomos del elemento dopante tienen más electrones de valencia que los
átomos del semiconductor, las impurezas son donadoras porque aportan más electrones
de conducción. En este caso se denominan impurezas tipo n, ya que dan lugar a
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SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
semiconductores tipo n (con mayor concentración de electrones que de huecos) cuya
conducción es mayoritariamente de electrones. Si por lo contrario, los átomos de
impurezas tienen menos electrones de valencia que los del semiconductor, se trata de
impurezas aceptadoras porque lo que aportan son más huecos a la banda de valencia.
En este caso, se denominan impurezas tipo p, ya que dan lugar a semiconductores tipo p
(con mayor concentración de huecos que de electrones) cuya conducción es
mayoritariamente de huecos.
Así pues, para los semiconductores de la columna IV de la tabla periódica de los
elementos (como el Si y el Ge), las impurezas donadoras proceden de la columna V
(p.ej: el P o el As), mientras que las impurezas aceptadoras son de la columna III (como
el B o el In). Sin embargo, para los semiconductores del tipo V-III, tales como el AsGa
o el SbIn, serán donadoras las impurezas del grupo VI (como el Se o el Te) que vengan
a sustituir a átomos del grupo V; mientras que serán aceptadoras las del grupo II (Zn o
Cd) sustituyendo a las del grupo III. Se da la circunstancia, además, que las impurezas
del tipo IV pueden actuar tanto de tipo n o de tipo p en los semiconductores V-III, según
sustituyan a las del grupo II o a las del grupo V.
En los semiconductores extrínsecos (dopados) tanto tipo p como tipo n, sigue siendo
válida la función de distribución de Fermi-Dirac tal como se vio en la sección 1.3, pero
con la diferencia de que el nivel de Fermi deja de estar en el centro de la BP (ver Fig.
3). En efecto, en los semiconductores tipo n, el nivel de Fermi queda desplazado hacia
la BC, con el consiguiente aumento de población de electrones de conducción y la
disminución de huecos. Por lo contrario, en los semiconductores contaminados tipo p, el
nivel de Fermi queda más cercano a la BV, con lo que la población mayor es la de
huecos.
Fig. 5: Función de Fermi para semiconductores tipo n y tipo p
Tanto los huecos como los electrones de conducción son portadores de corriente. Se
llaman portadores minoritarios a los portadores que menos abundan y portadores
mayoritarios a los que más abundan. Esto es, en un semiconductor tipo p los huecos son
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SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
portadores mayoritarios y los electrones son portadores minoritarios. Lo contrario
sucede en los semiconductores tipo n.
Cuando el nivel de impurezas es tan alto que el nivel de Fermi sale fuera de la BP y cae
dentro de la BV o de la BC, el semiconductor se denomina semiconductor degenerado.
Para un semiconductor no degenerado se cumple que el producto de la concentración de
electrones en la BV n y la concentración de electrones en la BV p iguala al cuadrado de
la concentración intrínseca ni (en el semiconductor intrínseco la concentración de
huecos es igual a la de electrones). Esto es:
n ⋅ p = ni2
(6)
1.7. La unión p-n.
Una unión p-n consiste en una transición brusca entre dos regiones de un
semiconductor, una de tipo p y otra de tipo n. Esto significa que se trata de un
semiconductor en que la distribución de impurezas, lejos de ser uniforme, pasa
bruscamente de n a p. La superficie que separa ambas regiones es lo que se denomina
unión pn.
Así pues, existe una transición brusca entre una zona con predominio de huecos a otra
con predominio de electrones de conducción. Como sucede con todas las partículas que
están sujetas a agitación térmica, los huecos y los electrones tienden a trasladarse desde
la zona donde son mayoritarios a aquélla en la que son minoría, esto es, las partículas
tienden a difundirse desde las zonas de mayor concentración hacia las de menor
concentración, tratando de uniformizarse (ley de Fick). Es lo que sucede con una gota
de tinta en un vaso de agua.
Unión p-n
_
_
_
_
_
p
a
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
+
+
+
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
n
a)
b
Q
b)
V
c)
Fig. 6: Configuración, carga espacial y barrera de Potencial en una unión p-n
9
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
Sin embargo, en el caso de una unión p-n la difusión de los portadores rompe la
neutralidad eléctrica y esto impide que las concentraciones se equilibren. En efecto,
cuando los huecos de la zona p migran hacia la zona n, la ausencia de huecos implica
una zona de carga negativa. Dicha carga no es carga de portadores de corriente, sino
carga debida a los átomos de la red que no están neutralizados. En consecuencia es
carga fija que no puede moverse. Lo mismo sucede con los electrones que migran de la
zona n a la zona p que dejan carga positiva sin neutralizar.
En la Fig. 6 a) se puede ver la configuración idealizada de una unión p-n. Es lo que se
llama región de carga espacial o carga de espacio A ambos lados de la unión se
encuentran estas zonas de carga por vaciamiento de portadores. Aunque la carga total en
un lado es igual a la de la otro lado y, en consecuencia, la carga total es nula, lo cierto es
que las regiones de carga de espacio no son neutras, como se ve en la representeción
gráfica idealizada de la densidad de carga espacial Q de la Fig. 6 b). La consecuencia de
esta carga de espacio a ambos lados de la unión es que se induce un potencial eléctrico
V a modo de barrera que impide que la difusión de portadores continúe. Esta barrera de
Potencial se encuentra representada en la Fig. 6 c) y es consecuencia directa de la carga
espacial de la Fig. 6 b).
En estas condiciones, si se le aplica una tensión eléctrica a la unión con polaridad
positiva en la zona p el resultado es que se disminuye la altura de la barrera de
potencial y, en consecuencia se produce un flujo continuo de huecos de la zona p hacia
la zona n así como de electrones de la zona n a la zona p. En consecuencia, la unión
conduce corriente eléctrica con facilidad. Sin embargo, cuando la polaridad de la
tensión aplicada es la contraria, lo que sucede es que la barrera de potencial se hace aún
mayor bloqueando con más fuerza el paso de los mayoritarios de cada zona a la opuesta.
En tales circunstancias sólo habrá una corriente residual muy pequeña, despreciable en
la mayoría de los casos, debida a los minoritarios de cada zona que se desplazan a la
zona opuesta.
La polarización que da lugar a la conducción, positivo en p y negativo en n se denomina
polarización directa, mientras que la polarización contraria se denomina polarización
inversa.
La relación entre la tensión aplicada a la unión y la corriente que circula es la siguiente:
I = I s (exp(qV / k B T ) − 1)
(7)
Donde Is es la magnitud (muy pequeña) de la corriente inversa de saturación, aquella
que circula por la unión con una polarización inversa relativamente grande. q es la carga
del electrón en valor absoluto, kB la constante de Boltzman y T la temperatura absoluta.
En la Fig. 7 se puede ver la curva característica de una unión p-n de acuerdo con (7). Se
puede ver que la corriente inversa de saturación sólo se percibe cuando se manejan
señales muy débiles.
Finalmente, conviene considerar el proceso de transporte de corriente en las cercanías
de una unión p-n. En la Fig. 2 se vio la naturaleza bipolar de la conducción de corriente
en un semiconductor: cuando se trata de un semiconductor cuya concentración de
impurezas es uniforme, la corriente de huecos y de electrones es también uniforme. Sin
embargo, en el caso de una unión p-n la conducción a través de la unión implica que se
establezca el paso de portadores mayoritarios de una zona hacia la otra, donde son
minoritarios.
10
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
Fig. 7: Curva característica de una unión p-n en dos escalas diferentes
Por tanto, se produce una verdadera inundación de minoritarios en cada una de las zonas
en las proximidades de la unión. Al haber mucha más concentración de minoritarios que
la propia del equilibrio el ritmo de recombinaciones se acelera en proporción a esa
concentración ya que los minoritarios van a encontrar una gran cantidad de mayoritarios
con los que recombinarse, a medida que avanzan en su trayectoria, una vez han cruzado
la unión.
En consecuencia, la concentración de minoritarios decae rápidamente a medida que se
alejan de la unión. Este proceso se ilustra en la Fig. 8 en la que np0 es la concentración
de electrones en la zona p (minoritarios) en condiciones de equilibrio, y np es la
concentración de electrones en la misma zona como consecuencia de la corriente
establecida. Análogamente, pn0 es la concentración de equilibrio de huecos en la zona n,
y pn la concentración fuera del equilibrio a causa de la inyección de huecos desde la
zona p.
p
n
pn
np
pn0
np0
x
Fig. 8: Difusión de portadores minoritarios a ambos lados de una unión p-n
Se puede ver también en la Fig. 8 que las concentraciones de minoritarios tienden a la
concentración de equilibrio a medida que se alejan de la unión, de forma que la
11
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
corriente de huecos en la zona n se va convirtiendo en corriente de electrones y la
corriente de electrones en la zona p se va convirtiendo en corriente de huecos, todo ello
por efecto de la recombinación. Si la unión p-n se encuentra en un semiconductor de
banda directa (ver 1.5), buena parte de las recombinaciones se realizan con emisión de
fotón. Este es el principio de la fotoemisión y de los diodos emisores de luz (LEDs
(Light Emitter Diodes)).
1.8.
El Transistor Bipolar
Una vez visto el comportamiento de una unión p-n estamos en condiciones de
comprender el efecto transistor que es aquél por el cual se produce una amplificación de
corriente.
El transistor bipolar se compone de tres zonas semiconductoras de tipos n-p-n o p-n-p.
Las transiciones entre dichas zonas son uniones p-n abruptas como las descritas en el
apartado 1.7, según se puede ver en la Fig. 9 para el caso n-p-n. En consecuencia, hay
dos tipos de transistores bipolares, el transistor p-n-p y el n-p-n.
El transistor bipolar, sea del tipo que fuere, no es simétrico, aunque lo parezca en la
mencionada figura. Una de las zonas de los extremos está generalmente mucho más
contaminada que la zona intermedia y recibe el nombre de Emisor (E). La zona
intermedia se denomina base (B) y el otro extremo, colector (C ). Cada una des estas
zonas tienen un contacto con un terminal al exterior del dispositivo.
Los transistores se simbolizan como elementos de circuito según se muestra en la parte
baja de la Fig. 9, donde se puede observar que los tipos p-n-p y n-p-n se diferencian en
el sentido de la flecha que se pone en el terminal de emisor, que es el sentido de
conducción de la unión correspondiente a dicha zona con la base.
Si un transistor n-p-n, como se muestra en la Fig. 9, se polariza con el terminal de
colector a una tensión positiva respecto al terminal de emisor, que consideraremos
conectada a masa, la unión de colector (entre colector y base) estará inversamente
polarizada y, en principio, no podrá conducir. Pero hay que tener en cuenta que una
unión no conduce a la inversa porque no dispone de portadores capaces de superar la
barrera de potencial. Más propiamente, deberíamos decir que la corriente en una unión
p-n inversamente polarizada es ínfima porque sólo los portadores minoritarios de cada
zona son capaces de atravesar la unión. Ahora bien, si por algún procedimiento se le
suministrara a alguna de las dos zonas portadores minoritarios en cantidades
significativas, se establecerá corriente inversa de una magnitud similar a ese aporte de
minoritarios.
Pues bien, esto es lo que sucede si se polariza directamente la unión de emisor. Es decir,
mientras la base se encuentre en circuito abierto o con polarización negativa o cero, la
unión de emisor no conducirá y, por tanto, el transistor tampoco conducirá bajo la
tensión entre colector y emisor debido a la polarización inversa de la unión de colector.
Se dice entonces que el transistor está cortado. Pero si se polariza la base con una
pequeña tensión directa, la unión de emisor conducirá una corriente débil. Puesto que el
emisor tiene una concentración de impurezas muy superior a la de la base, la mayor
parte de esa corriente débil se debe a mayoritarios de emisor que se inyectan en base y
sólo una mínima parte será debida a los mayoritarios de base que circulan hacia el
emisor. Esta circunstancia de desproporción de contaminación es la que da lugar a una
buena eficiencia de emisor, ya que son los minoritarios que se inyectan en la base
(mayoritarios para el emisor) los que hacen posible el efecto transistor.
12
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
Para que este efecto transistor se produzca, además de la eficiencia de emisor es
también importante que la zona de base sea lo más estrecha posible. Esto se debe a que,
como se indica en la Fig. 9-(derecha) en el momento que los mayoritarios de emisor
atraviesan la unión, se ven arrastrados hacia la unión de colector por la tensión aplicada
a la misma. En consecuencia, si la base es lo suficientemente estrecha, la gran mayoría
de los portadores inyectados desde el emisor alcanzarán la unión de colector antes de
recombinarse con los mayoritarios de base y sólo una pequeña parte de ellos se
recombinará y formará parte de la corriente del terminal de base.
+
+
n
n
C
n
C
p
p
_
B
C
p
+
B
n
B
n
E
n
E
Estructura de TRT npn
E
TRT npn en estado de
Conducción
TRT npn en estado de Corte
C
C
B
B
E
E
Símbolo de TRT npn
Símbolo de TRT pnp
Fig. 9: Estructura, funcionamiento y simbología del Transistor Bipolar
En consecuencia, con una pequeña corriente en el terminal de base se produce una gran
corriente en el terminal de colector (también en el de emisor), aproximadamente
proporcional a la corriente en base. Cuando esto sucede se dice que el transistor se halla
en zona activa pues es cuando actúa como amplificador de corriente. El factor de
proporcionalidad (β) entre ambas es la ganancia en corriente. Es decir:
iC = β ⋅ i B ; i E = iC + i B
13
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
Las curvas características de un transistor bipolar pueden verse en la Fig. 10. En ellas
puede verse que mientras el transistor permanece en zona activa, la corriente de colector
es, en efecto, con bastante aproximación, proporcional a la corriente de base. Sin
embargo, a medida que la corriente de colector aumenta, el circuito de polarización
externo al transistor puede hacer que la tensión entre colector y emisor disminuya, hasta
que llega un punto en que es insuficiente para producir el efecto transistor. De hecho, si
VCE es demasiado pequeña mientras estamos polarizando la base para que conduzca,
resulta que la tensión en la unión de colector ya dejaría de ser inversa. En estas
circuntancias, la corriente de colector se estanca aunque sigamos aumentando la
corriente de base. Esto es lo que se denomina saturación del transistor. Cuando el
transistor está saturado, el punto de trabajo del transistor se encuentra dentro de la zona
marcada en la Fig. 10 como Región de Saturación.
IC Región de
Región Activa
Saturación
IB4
IB3
IB2
IB1
IB = 0  Región de Corte
VCE
Fig. 10: Modelo de Curvas Características de de un Transistor Bipolar npn
1.9. El Transistor de Efecto Campo MOS.
La denominación de transistor MOS es un extracto de Metal-Óxido-Semiconductor que
define la estructura de este tipo de transistores. Como se ve en la Fig. 11, un transistor
MOS se compone de dos regiones semiconductoras de un determinado tipo (n en el caso
de la figura) sobre un substrato del tipo opuesto (p en el caso de la figura). Una de las
dos regiones recibirá el nombre de fuente por ser ésta la que suministra los portadores
de corriente, y la otra se denominará drenador pues será la que recoja los portadores y
les dé salida. Ambas regiones tienen contactos al exterior y, puesto que la estructura del
transistor es simétrica, cualquiera de ellas puede adoptar la función de fuente y la otra
de drenador. En cualquier caso, el drenador y la fuente son los extremos del transistor
entre los que se establecerá la corriente del mismo cuando ésta exista. La superficie del
semiconductor que se encuentra entre las regiones de drenador y fuente se encuentra
cubierta por una fina capa aislante. En la tecnología del silicio dicha capa es de óxido de
Si que tiene una rigidez dieléctrica muy elevada. Dicha capa se encuentra metalizada en
toda la zona que cubre la separación entre drenador y fuente. Dicha metalización se
denomina puerta. Asimismo, el substrato tiene contacto al exterior que se pone a una
tensión de referencia. Conviene aclarar que, por razones tecnológicas, en los circuitos
integrados MOS actuales se sustituye la metalización de puerta por una capa de silicio
policristalino que aunque sólo es un conductor mediano, resulta suficiente. No obstante
permanece la denominación Metal-Óxido-Semiconductor (MOS)
14
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
Cuando, como en el caso de la Fig. 11, el drenador y fuente son de tipo n, el transistor
se dirá que es de tipo n o n-MOS. En caso contrario, drenador y fuente tipo p y substrato
tipo n, será de tipo p o p-MOS.
Para estudiar el funcionamiento nos basaremos en un transistor n-MOS como el de la
Fig. 11. En este caso el substrato se pondrá a masa. La conducción entre drenador y
fuente estará interrumpida (transistor cortado) mientras la tensión entre puerta y
substrato sea negativa o cero (Fig. 11 b)), ya que la unión de drenador, donde se
aplicaría la tensión positiva estaría inversamente polarizada y no hay aportación de
minoritarios a ninguno de los costados de dicha unión.
_
Puerta
Puerta
n
n
n
p
Substrato
b) Transistor n-MOS Cortado
+
n
Puerta
n
Puerta
++
Substrato
p
d) Tensión de Puerta sobre Umbral en n-MOS
Puerta
+
Drenador
n
n
Substrato
c) Tensión subumbral de Puerta en n-MOS
Fuente
++
n
p
Substrato
p
Substrato
a) Estructura de un Transistor n-MOS
Puerta
n
++
Fuente
n
Drenador
n
p
++
n
Substrato
e) Transistor n-MOS en Región Óhmica
p
f) Transistor n-MOS en Saturación
.
Fig. 11: Estructura y Comportamiento de un Transistor MOS
La estructura puerta-óxido-substrato (conductor-aislante-conductor) es capacitiva por su
propia naturaleza. En consecuencia si se aplica tensión en puerta respecto a substrato se
producirá una acumulación de carga a ambos lados, siendo su polaridad acorde con el
signo de la tensión aplicada. Así pues, si se aplica tensión positiva en la puerta respecto
al substrato, la carga acumulada en el lado de la puerta será positiva, y la acumulada en
15
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
el lado del substrato, negativa. Ahora bien, mientras la tensión aplicada sea débil (Fig.
11 c)), la acumulación de carga en el lado del substrato se produce exclusivamente por
vaciamiento de los mayoritarios del semiconductor. En nuestro caso se trata de
vaciamiento de huecos, con lo que se extiende el dominio de la región de carga espacial,
de color blanco en la Fig. 11 c)
Sin embargo, cuando la tensión de puerta sobrepasa un cierto umbral, comienza a ser
más fácil almacenar carga por acumulación de minoritarios que continuar con el
vaciamiento de mayoritarios (Fig. 11 d)). Dichos minoritarios, como cargas móviles que
son, forman una conexión entre drenador y fuente que recibe el nombre de canal. En
estas condiciones, se hace posible la conducción de corriente entre drenador y fuente.
Por tanto, cuando la tensión de puerta sobrepasa un cierto umbral, el transistor pasa de
comportarse como un circuito abierto a comportarse como un cortocircuito, haciendo las
veces de un interruptor controlado por una tensión (la tensión de puerta). Además, el
hecho de que exista un umbral a partir del cual se establece la conducción es
extraordinariamente útil a efectos de realizar circuitos digitales que, como es sabido,
necesitan un umbral con el fin de distinguir entre los dos estados lógicos (el 1 y el 0,
verdadero y falso, etc.).
Equiparar el canal formado con un corto circuito no es más que una abstracción. En
realidad se trata de una resistencia baja, tanto más baja cuanto mayor sea la
concentración de portadortes en el canal o, lo que es lo mismo, cuanto mayor sea la
tensión de puerta. Por este motivo se dice que el transistor en estas circunstancias se
encuentra en la región óhmica. Sin embargo, dicha resistencia sólo presenta un
comportamiento lineal cuando la tensión aplicada entre drenador y fuente es pequeña.
Cuando dicha diferencia de tensión se incrementa, la magnitud del canal comienza a
reducirse a medida que se acerca al drenador (Fig. 11 e)), lo que provoca un aumento de
la resistencia del mismo. Esta reducción se debe a lo siguiente: el canal se forma a
consecuencia de la diferencia de tensión entre el substrato y la puerta; si se eleva la
tensión por la parte de drenador para hacer conducir al canal, el resultado es que se hace
disminuir dicha diferencia, especialmente por la parte más cercana al drenador que es
donde se aplica la tensión con polaridad positiva (en el caso de n-MOS). En efecto,
como se ha representado en la Fig. 12, la tensión de drenador (VDS) cae a lo largo del
canal hasta los cero voltios de la fuente (VS = 0), que se ha puesto a masa igual que el
substrato, como sucedería en cualquier conductor. Aun suponiendo que esta caída fuera
lineal a lo largo del canal, cuando la tensión aplicada al drenador es tal que la diferencia
de tensión entre puerta y canal es inferior al umbral propio del transistor (VT), el canal
se extrangula y ya no permite que la corriente siga aumentando cuando se incrementa la
tensión de drenador.
Conviene detenerse un poco en el fenómeno de la estrangulación del canal porque
puede parecer que si el canal se estrangula, la corriente debería interrumpirse pero, en
este caso, el estrangulamiento no se produciría porque la tensión no caería a lo largo del
canal por falta de corriente, luego existiría canal. Sucede por tanto que la zona del canal
vacía de portadores minoritarios es atravesada por ellos a causa de la tensión aplicada,
de forma similar a lo que sucede cuando se polariza inversamente una unión p-n con
una tensión elevada en cuyo caso, lejos de estar bloqueada la corriente, puede aparecer
una corriente alta (efecto de avalancha). Así pues, la corriente fluye pero no aumenta la
aumentar la tensión pues al mismo tiempo que se eleva la tensión se alarga la zona
estrangulada del canal, ofreciendo mayor impedimento al paso de la corriente.
16
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VDS
VGS
Saturación
VT
VGS -VT
Región Óhmica
Fuente (S)
Drenador (D)
Canal
Estrangulamiento
del Canal (pinch-off)
VS = 0
Fig. 12: Esquema de tensiones en un transistor n-MOS
ID Región
Región de Saturación
VGS 4
Óhmica
VGS 3
VGS 2
VGS 1
VGS ≤ VT
VDS
Fig. 13: Curvas características de un Transistor MOS
En la Fig. 13 se encuentra una representación de la corriente de drenador ID en función
de la tensión aplicada entre drenador y fuente (VDS), según el valor que tenga la tensión
de puerta VGS. Para dichas curvas características se ha supuesto que, como es habitual,
la fuente y el substrato están interconectados entre sí.
Analíticamente, la corriente de drenador se puede calcular con bastante aproximación
mediante las siguientes relaciones:
En Región Óhmica
En Saturación
(VDS
(VDS
2 

VDS
I D = K (VGS − VT ) ⋅ VDS −

2 

< VGS − VT ) :
≥ VGS − VT ) :
I D = 1 K ⋅ (VGS − VT )2
2
En estas expresiones se puede comprobar que la corriente en saturación es
independiente de la tensión entre drenador y fuente, que la corriente en región óhmica
es bastanete lineal para valores pequeños de VDS y que en el paso de región óhmica a
saturación, cuando VGS-VT = VDS, los valores de la corriente obtenidos tanto en región
óhmica como en saturación, son coincidentes.
En la Fig. 14 se muestran los símbolos utilizados para representar a nivel circuital los
transistores MOS: las figuras Fig. 14 a) y b) representan el símbolo completo con
indicación del terminal de substrato, que es el que contiene la flecha; la flecha en
sentido entrante corresponde al transistor n-MOS, pues es el que tiene substrato tipo p.
La flecha saliente es el transistor p-MOS. Lógicamente, el terminal aislado, marcado
17
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
con G es la puerta y los otros dos terminales son la fuente y drenador indistintamente.
Las Fig. 14 c) y d) tienen ya realizada la conexión habitual entre puerta y fuente, en
cuyo caso ya no es indiferente cuál de los dos extremos se toma como drenador o como
fuente. En dichas figuras se ha marcado la polaridad de los terminales para que el
transistor conduzca, así como el sentido de la corriente. Finalmente, las Fig. 14 e) y f)
muestran los símbolos simplificados, donde el terminal de substrato queda implícito y
se distingue entre el transistor n-MOS y p-MOS con un pequeño círculo en el p-MOS
que indica que la polaridad de dicho terminal para la conducción es inversa (para
incrementar el canal hay que reducir el valor de la tensión, no aumentarlo).
+ D
G
G
G
+ S
G
+
D
S
a) n-MOS
b) p-MOS
c) n-MOS
d) p-MOS
e) n-MOS
Fig. 14: Símbolos utilizados para representar transistores MOS
18
f) p-MOS
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2. Sensores Fotovoltaicos
Los sensores fotovoltaicos consisten fundamentalmente en una unión p-n con una de sus
zonas, p o n, expuesta a la luz. Otra de sus características es que la superficie expuesta a
la luz debe ser lo más cercana posible a la unión por las razones de eficiencia que se
verán a continuación. Asimismo, la contaminación de impurezas suele ser baja en la
zona de incidencia y bastante alta en la zona contraria.
2.1. Efecto fotovoltaico
El principio de funcionamiento es el siguiente: al incidir la luz en una de las zonas se
produce un incremento notable en la generación de pares electrón-hueco debido a la
excitación por absorción fotónica. Los pares electrón-hueco se producen en la superficie
del semiconductor donde incide la luz. Dichos portadores en exceso se difunden por el
semiconductor. De ellos, los que son minoritarios en la zona y alcanzan la región de
carga de espacio de la unión p-n antes de recombinarse, se verán arrastrados por la
barrera de potencial hacia la zona opuesta. Surge, por tanto, una polarización por exceso
de mayoritarios en ambas zonas, que da lugar a una tensión entre las mismas en circuito
abierto con polaridad positiva en zona p y negativa en n. En consecuencia, si se
establece conexión externa entre las zonas p y n, habrá corriente eléctrica.
+
p
n
_
a)
V
b)
Fig. 15: Efecto fotovoltaico
En la Fig. 15 se ha hecho una representación simbólica del efecto fotovoltaico: los pares
electrón-hueco generados por la incidencia de fotones en la zona p se difunden por
dicha zona. Algunos de ellos se recombinarán, con la consiguiente pérdida de eficiencia,
pero otros alcanzan la región espacial de la unión donde se encuentra la barrera de
potencial. La barrera retendrá los huecos en la zona p, pero los electrones serán
arrastrados por la barrera por tener polaridad inversa. En la Fig. 15 b) se ha representado
en gris la línea inversa de la barrera de potencial que es la forma en que afecta a los
electrones. Debido a ello, ambas zonas registran un exceso de mayoritarios que produce
la tensión. Es por ello que la zona en la que incide la luz, en el caso de la figura la zona
19
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
p, debe ser lo más estrecha posible, ya que así se impide que los pares generados se
recombinen antes de alcanzar la unión.
En la Fig. 16 se puede visualizar de otra forma este efecto, a través de la estructura de
bandas en una unión p-n. El nivel de Fermi tiene la propiedad de ser constante en todo
el sólido y las bandas se deflectan del modo indicado en la figura. Puesto que los
electrones tienden a ocupar la
EC
posición de mínima energía los
huecos tienden a ocupar la
máxima. En consecuencia, los
electrones se precipitan a la zona n
Ef
y los huecos permanecen en la
Eg
EV
zona p. Lógicamente, en el caso de
que la luz incidiera en la zona n, se
podría aplicar todo lo dicho para
p
n
este ejemplo en sentido dual.
Fig. 16: Estructura de bandas de una unión
El hecho de dopar sólo débilmente la zona en la que incide la luz obedece al mismo
objetivo de evitar al máximo la recombinación antes de alcanzar la unión: cuanto menos
abundantes sean los mayoritarios de esa zona, menor será la probabilidad de
recombinación.
2.2. El Fotodiodo
Una vez visto el efecto fotovoltaico, es importante distinguir entre dos tipos de
dispositivos o sistemas diferentes basados en el mismo efecto: uno es el caso en que se
pretende detectar la luz, es decir, aquél cuyo objetivo es saber si el nivel de iluminación
sobrepasa un cierto umbral. Otro muy diferente es cuando lo que se pretende es producir
energía eléctrica. El principio de funcionamiento es el mismo en ambos casos, pero el
dispositivo es esencialmente diferente: los paneles de transformación de energía solar en
elécrica constan de una matriz de dispositivos cuya superficie, tanto de exposición como
de la unión p-n es lo mayor posible, con el fin de recoger y convertir más radiación. Sin
embargo, en el caso de los sensores de luz (fotodiodos y fototransistores) normalmente
basta con una pequeña ventana expuesta a la luz.
La característica tensión – corriente (V-I) de un fotodiodo
I = I s (exp(qV / k B T ) − 1) − I p
(1)
donde Is es la corriente inversa de saturación de la unión, q en valor absoluto de la carga
del electrón, kB la constante de Boltzman, T la temperatura absoluta e Ip la corriente en
corto circuito que es proporcional al nivel de incidencia de fotones. Esta característica
puede verse representada en la Fig. 17 para tres niveles de iluminación (la línea azul
corresponde a la oscuridad absoluta) donde la corriente en corto circuito ha sido
marcada con un pequeño círculo en cada uno de los niveles. Obsérvese que la corriente
que genera el fotodiodo en corto circuito recorre la unión en el sentido inverso al de
conducción de un diodo. En la Fig. 18 se puede ver un conjunto de modos de
funcionamiento de un fotodiodo. En las Fig. 18 a) y b) se obtienen la tensión en circuito
abierto VCO y la corriente en corto circuito Ip respectivamente. En la Fig. 18 c) se ve el
sentido de la corriente en caso de cargar directamente el fotodiodo con una impedancia.
Finalmente, el montaje de la Fig. 18 d) es el que se utiliza para efectuar la medida del
nivel de iluminación mediante la medida de la corriente en la unión con polarización
20
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
inversa. Ya que lo normal es que
la corriente inversa de saturación
Is sea despreciable frente a la
corriente en corto circuito Ip, la
corriente que se registra en Fig.
18 d) es, de acuerdo con (1) y la
Fig. 17, Ip.
Fig. 17: Curvas características de un fotodiodo
+
Ip
VOC
Ip
ZL
VB
_
a)
b)
c)
d)
Fig. 18: El fotodiodo en diferentes regímenes de funcionamiento
Para la fabricación de fotodiodos y paneles solares se utiliza una gran variedad de
semiconductores dependiendo, entre otras cosas, de la parte del espectro
electromagnético que se quiere captar, de la eficiencia, sensibilidad y costo. Aunque los
semiconductores de banda directa son más eficientes, son perfectamente utilizables
semiconductores de banda indirecta, como el Si y el Ge, siempre que la energía de los
fotones sea suficientemente grande como para efectuar el salto entre las bandas de
valencia y de conducción sin tener que provocar cambios sustanciales en la impulsión
(ver Anexo – Introducción a los Semiconductores). Es, por ejemplo, el caso del Si en el
espectro visible.
2.3. Diodos PIN
Dentro de la variedad de fotodiodos se encuentran los diodos p-i-n que, como su
nombre indica, intercalan una capa de semiconductor intrínseco entre las zonas p-n. Con
ello se consigue ensanchar la región de carga de espacio disminuyendo la capacidad
eléctrica de la unión, con lo que se incrementa la velocidad de respuesta; al mismo
tiempo, se reparte mejor la polarización inversa (Fig. 18 d)) en el entorno de la unión y
se mejora la eficiencia del dispositivo por estar en mayor proporción el arrastre de la
21
SOE - Introducción a los Semiconductores – J. Gutiérrez Ríos
barrera de potencial respecto a la distancia por la que los portadores han de difundirse
hasta alcanzar la barrera.
2.4. Fotodiodos de barrera Schottky
Otra variante son los fotodiodos con barrera Schottky que consisten en una unión metalsemiconductor tipo n. El metal suele ser en realidad una aleación de metal con
semiconductor que se comporta como metal y puede depositarse en el semiconductor
con buena continuidad de la estructura atómica. Esta capa metálica puede ser
transparente y muy delgada, con lo que la luz incide directamente en la región de carga
de espacio de la unión evitándose así la pérdida de eficiencia por recombinación.
2.5. Fototransistores
Finalmente, los fototransistores tienen la estructura de un transistor normal, pero sin
terminal eléctrico en la base. En lugar de ello tienen la región de base expuesta a la luz
donde se produce generación fotónica de pares electrón-hueco igual que en los
fotodiodos. Por tanto, por efecto fotovoltaico la unión de colector, inversamente
polarizada, conduce a la inversa, dando lugar al efecto transistor: la corriente en la unión
de colector atraviesa la unión de emisor polarizada directamente. Esto provoca la
inyección adicional de minoritarios en base desde el emisor, multiplicando a su vez la
corriente de colector. El fototransistor, por consiguiente, da lugar a corrientes mucho
más altas que el fotodiodo, pero tiene una respuesta proporcionalmente más lenta.
22