Sesión 7 Fundamentos de dispositivos - OCW

Sesión 7
Fundamentos de dispositivos
semiconductores
Componentes y Circuitos Electrónicos
Isabel Pérez / José A García Souto
www.uc3m.es/portal/page/portal/dpto_tecnologia_electronica/Personal/IsabelPerez
Semiconductores y Diodo de unión
OBJETIVOS
• Conocer los fundamentos de semiconductores
– Semiconductores Intrínsecos. Concepto de Electrón y Hueco.
– Semiconductores Extrínsecos. Concepto de Impureza.
– Semiconductores tipo p y tipo n.
• Entender los fundamentos de una unión p-n
– Unión p-n en Equilibrio. Zona de Carga de Espacio.
– Unión p-n Polarizada (Polarización en Directa, Polarización en
Inversa).
• Interpretar la curva del diodo y relacionarla con
la ecuación del diodo como unión p-n polarizada
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Introducción a la Teoría de
Semiconductores
Teoría de Bandas
Conductor
Semiconductor
E
Aislante
E
E
BC
BC
Eo
BV
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BC
Eo
GAP
BV
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Eo
BV
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Teoría de Semiconductores
Semiconductores Intrínsecos. Pares electrón-hueco.
ni2(T)=n·p
n=p (intrínseco)
σ = 1 / ρ = qe [n ⋅ µ e + p ⋅ µ h ]
Semiconductor
E
BC
Eo
1,1eV
BV
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Semiconductores Intrínsecos (Si)
-
-
-
+4
-
T=0ºK (Equilibrio Térmico)
-
-
+4
-
-
+4
-
Enlace covalente
-
-
+4
-
-
-
+4
-
-
+4
-
+4
-
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-
-
-
-
+4
-
-
-
-
-
+4
-
+4
-
-
T > 0ºK
-
-
+4
electrón libre (e-)
+
- +4
Enlace covalente
roto
-
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hueco libre (h+)
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Tipos de corriente en un semiconductor
• DIFUSIÓN: Si la concentración
de portadores (de electrones , n, y de huecos, p) e es mayor en una
zona que en otra del material, los portadores tienden a moverse de la zona de mayor a la de menor
concentración, dando lugar a una densidad de corriente de difusión (Jd [A/cm2])
J d = J dn + J dp
dn
dp
= q • Dn • − q • D p •
dx
dx
• ARRASTRE: Al aplicar un campo eléctrico E [V/cm2]
+
-
E
-
- +4
-
-
- +4
-
-
- +4
+
- +4
-
-
- +4
-
-
+
- +4
-
Movimiento e-
-
Dos tipos de portadores:
e- y h+
Movimiento h+
J a = J an + J ap = q • n • µ n • E + q • p • µ p E
Corriente
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Semiconductores Extrínsecos.
• Concepto de Impureza (Donante)
TIPO n: Se añaden al semiconductor átomos con un electrón más en la banda de valencia. Ej:
Fósforo (P).
-
+4
-
-
-
+4
-
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-
-
-
+4
-
-
e- libre
-
-
-
+4
-
-
-
+4
-
ni2(T) = n·p
n > p (extrínseco tipo n)
-
+5
-
-
CCE - Sesión 7
e- : portadores mayoritarios
h+ : portadores minoritarios
7
Semiconductores Extrínsecos.
• Concepto de Impureza (Aceptadora)
TIPO p: Se añaden al semiconductor átomos con un electrón menos en la banda de valencia.
Ej: Boro (B)
-
+4
-
-
-
+4
-
-
-
+4
-
h+ libre
-
-
+4
-
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-
-
+4
-
+
-
-
+3
-
-
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ni2(T) = n·p
p > n (extrínseco tipo p)
h+ : portadores mayoritarios
e- : portadores minoritarios
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Semiconductores Tipo p y Tipo n.
SEMICONDUCTOR TIPO n
• Aporta extra de e- portadores mayoritarios (no ~ ND)
• Menos h+ portadores minoritarios (pn = ni2 / ND)
SEMICONDUCTOR TIPO p
• Aporta extra de h+ portadores mayoritarios (po ~ NA)
• Menos e- portadores minoritarios (np = ni2 / NA)
DE LA TEORÍA DE SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO
• NA ~ ND → Sc Compensado: Equivalente a intrínseco
• Aumento de T → Aumenta pares e- h+
• T muy alta → Equivalente a intrínseco (ya no son
minoritarios)
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La Unión p-n.
Resumen de Portadores y Corrientes
• CORRIENTES DE PORTADORES:
– Considerar tanto Mayoritarios como
Minoritarios
– Considerar tanto Electrones como Huecos
• TIPOS DE CORRIENTES:
– DE ARRASTRE: Por acción de un campo
eléctrico (σ)
– DE DIFUSIÓN: Compensa gradiente de
concentración
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Zona de deplexión, vaciamiento o carga de
espaci o (sin portadores libres)
LA UNIÓN p-n
en equilibrio
-
+
p
-+
n
0
Densidad de carga (ρ
ρ)
x
Campo eléctrico (E)
x
Potencial (V)
Potencial de barrera o contacto (
x
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Vγ )
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LA UNIÓN pn en polarización directa
Vd
+
id = I S ( e
vd
nV t
− 1)
• Elimino la barrera de potencial
• Sobre todo circulan mayoritarios por
difusión (exp), también minoritarios.
-
+
- +
p
LA UNIÓN
p-n
polarizada
n
id
LA UNIÓN pn en polarización inversa
Vd
+
p
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+
-+
-
n
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• Mayor barrera de potencial
• Solo circulan minoritarios
id =-Is
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Contactos
métalicos
ESTRUCTURA
SÍMBOLO
p
id
n
Cátodo
Ánodo
+
EL DIODO
DE UNIÓN
p-n
vd
-
CURVA CARACTERÍSTICA
id
ENCAPSULADO
Ánodo
Directa
Cátodo
id = I S ( e
vd
nV t
− 1)
KT
Vt =
q
-Vruptura
vd
Ruptura
0.5V Vγγ = 0.7V (en Si)
Inversa
-Is = Corriente inversa
de saturación (muy
pequeña)
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Diodos de unión y aplicaciones
OBJETIVOS
• Conocer el funcionamiento básico de un diodo
como componente de un circuito y sus modelos
equivalentes
• Entender los umbrales de conducción y
aplicarlos en el análisis de circuitos con diodos
• Conocer diferentes tipos de circuitos con diodos
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Diodo Ideal
Aproximaciones curva característica
Circuito Equivalente
id
C
A
Cortocircuito
Directa
vd=0
(ON)
id>0
Inversa
vD
(OFF)
Circuito Equivalente
A
A
C
id=0
Circuito Abierto
ON
A
vd<0
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C
C
C
OFF
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A
A
C
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Ejemplo: Rectificador de ½ onda
v2(t)
Tensión Secundario
V2p
f = 50Hz
T = 20ms
0
t[ms]
20
10
-V2p
V2(t) > 0
vO(t)
Vo(t) = V2(t)
vO
f = 50Hz
T = 20ms
Vop=V2P
t[ms]
V2(t) < 0
0
Vo(t) = 0
20
10
D OFF
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Función de transferencia
Tensión Salida
D ON
D ON
D OFF
V2(t)>0
V2(t)<0
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v2
0
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Equivalentes Circuitales del diodo
Aproximaciones curva característica
1ª Aproximación: Diodo Ideal
id
2ª Aproximación Circuito
Circuito
Equivalente
A C
<
Directa
Equivalente
id
3ª Aproximación
id
C
A
+
-
Directa
vd=Vγγ
Vγγ
vd
Vγγ
Inversa
Inversa
Inversa
Circuito
Equivalente
Circuito
Equivalente
Circuito
Equivalente
A C
A C
A C
id=0
id=0
id=0
vd<0
vd<Vγγ
vd<Vγγ
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-
vd=Vγγ+rd.id
id>0
vd
C
A
+
Vγγ
Directa
id>0
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rd
1/rd
Vγγ
vd=0
Circuito
Equivalente
vd
id>0
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CIRCUITOS RECTIFICADORES
v2(t)
Tensión Secundario
V2p
f = 50Hz
T = 20ms
0
t[ms]
20
10
-V2p
2ª Aproximación
V2(t) > Vγγ
vO(t)
Vo(t) = V2(t) -Vγ
vO
f = 50Hz
T = 20ms
Vop=V2P- Vγγ
t[ms]
V2(t) < Vγγ
0
Vo(t) = 0
20
10
D OFF
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Función de transferencia
Tensión Salida
D ON
D ON
V2(t) > Vγγ
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v2
Vγ
D OFF
V2(t) < Vγγ
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CIRCUITOS RECORTADORES
Función de transferencia
Vo
Vγ
Pendiente =1
Vi > Vγγ
Vi
Vγ
D ON
Vo = Vγ
D OFF
v
D ON
Tensión Salida
vi(t)
Vi < Vγγ
D OFF
Vγ
Vo = Vi
t
vo(t)
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