Física del diodo de unión P-N: Presentación

El diodo de unión
1
Dispositivos Electrónicos
OBJETIVOS
Los objetivos de esta segunda clase son:
• Comprender el funcionamiento del diodo desde el punto de vista físico
• Determinar la característica tensión-corriente del dispositivo
• Analizar las desviaciones respecto a esta característica
• Introducir variantes de diodos con propiedades distintivas
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Dispositivos Electrónicos
RESUMEN
TEMA
RESUMEN
DE DEL
CONTENIDOS
Estudiaremos:
• Características básicas de la juntura pn
• La región de carga espacial o vaciamiento
• Efectos de la polarización inversa y directa de la juntura
• Distribución de portadores.
• Característica tensión-corriente estática del diodo de unión.
• Apartamientos del comportamiento ideal.
• Ruptura de la juntura
• Comportamiento dinámico.
• Diodos especiales: Zener, Varicap, Schottky.
3
Dispositivos Electrónicos
La juntura p-n
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Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: REGIÓN DE CARGA ESPACIAL
La juntura pn está constituida por un SC que en una parte tiene un dopado
predominantemente aceptor y en otra un dopado predominantemente donor.
Llamaremos 𝑁𝑑 y 𝑁𝑎 a las concentraciones de átomos donores/aceptores de las
regiones tipo n/p.
SC tipo P (Na)
+
𝑝0 ≅ 𝑁𝑎
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
+
+
+
-
SC tipo N (Nd)
+
-
-
- + - + -
𝑛0 ≅ 𝑁𝑑
+
-
-
+
-
En esta figura se representan los portadores (cargas móviles).
No se representan las cargas fijas (iones) que resultan de la liberación de
portadores mayoritarios. Recordemos que la carga neta es nula
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Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: REGIÓN DE CARGA ESPACIAL
Al formarse la unión se produce una difusión de portadores mayoritarios
huecos de la región P hacia la región N
electrones de la región N hacia la región P
SC tipo P (Na)
+
𝑝0 ≅ 𝑁𝑎
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
-
+
-
-
-
-
Difusión de electrones
+
+
+
-
SC tipo N (Nd)
+
Difusión de huecos
-
-
-
+
-
+
+
-
𝑛0 ≅ 𝑁𝑑
-
+
En esta figura se representan los portadores (cargas móviles).
No se representan las cargas fijas (iones) que resultan de la liberación de
portadores mayoritarios. Recordemos que la carga neta es nula
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Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: REGIÓN DE CARGA ESPACIAL
Se produce un vaciamiento de portadores en las inmediaciones de la juntura
SC tipo P (Na)
+
𝑝0 ≅ 𝑁𝑎
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
SC tipo N (Nd)
+
+
Difusión de huecos
-
+
-
-
-
-
+
-
+
+
-
𝑛0 ≅ 𝑁𝑑
-
+
-
Difusión de electrones
En esta figura se representan los portadores (cargas móviles).
No se representan las cargas fijas (iones) que resultan de la liberación de
portadores mayoritarios. Recordemos que la carga neta es nula
7
Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: REGIÓN DE CARGA ESPACIAL
A medida que las inmediaciones de la juntura se vacía de portadores, esta
region adopta a cada lado una carga neta dada por la concentración del
dopado (Na/Nd)
Región de
carga espacial
SC tipo P (Na)
Iones aceptores (Na)
+-
+-
+-
+-
+-
+-
-
+
SC tipo N (Nd)
Iones donores (Nd)
A esta región se la llama region de vaciamiento o región de carga espacial
En esta figura se representa la carga neta
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Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: REGIÓN DE CARGA ESPACIAL
Como resultado de la distribución de iones en la región de carga espacial, se
establece un campo eléctrico y aparece un potencial de contacto.
Región de
carga espacial
+Región P
Difusión
Deriva
+
+
Campo eléctrico E
+-
+-
+-
+-
+-
Región N
-
El campo eléctrico E produce una fuerza de deriva sobre los portadores
opuesta a la de difusión.
En el equilibrio, deriva y difusión se cancelan entre sí debido a que, sin
polarización externa, la corriente neta es nula.
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Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: BARRERA DE POTENCIAL
El potencial de barrera.
Región P
Región
+
de carga+ +espacial
+
-
E
Región N
Campo eléctrico E
Potencial de contacto Vbi
El potencial de contacto Vbi forma una barrera de potencial que se opone a la difusión
de electrones hacia la región P y de huecos hacia la región N
Esta barrera mantiene el equilibrio entre los portadores mayoritarios y minoritarios a
ambos lados de la juntura.
Este equilibrio significa que la barrera es tal que el nivel de Fermi se mantiene constante
en todo el material.
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Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: BARRERA DE POTENCIAL
El potencial de barrera.
El potencial de barrera se calcula a partir
de la posición del nivel de Fermi respecto a
BV y BC a cada lado de la juntura
Región P
Región
+
de carga+ +espacial
+
-
Región N
𝑛𝑛0
𝑝𝑝0
= 25,9 𝑚𝑉 @ 𝑇 = 300𝐾
Ejemplo:
Silicio T=300K
11
𝑁𝑑 = 1015 𝑐𝑚−3 , 𝑁𝑎 = 2 × 1017 𝑐𝑚−3
𝑉𝑏𝑖 = 713𝑚𝑉
𝑁𝑑 = 1015 𝑐𝑚−3, 𝑁𝑎 = 1016 𝑐𝑚−3
𝑉𝑏𝑖 = 635𝑚𝑉
Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: BARRERA DE POTENCIAL
Región P
Región
de carga
espacial
++
+
+eNd
+
-xp
Región N
Ya calculamos la altura total de la barrera (Vbi),
pero no su forma a lo largo de la juntura
dE
ρ(x)
=
dx
ε
x
xn
dV
= −E(x)
dx
Aproximación de ρ(x)= + e𝑁𝑑 𝑠𝑖 < 0 < x<𝑥𝑛
juntura abrupta: ρ(x)= − e𝑁𝑎 𝑠𝑖 − 𝑥𝑝 < x < 0
La región de carga espacial invade la
zona menos dopada.
-eNa
w
Campo lineal, potencial cuadrático
E
e𝑁𝑎 𝑥𝑝
e𝑁𝑑 𝑥𝑛
Emáx =−
=−
ε
ε
x
Vbi = −
1
E W
2 máx
Emáx
V
Vbi
12
x
Ejemplo: Si T=300K,
𝑁𝑑 = 1015 𝑐𝑚−3 , 𝑁𝑎 = 1016 𝑐𝑚−3
Dispositivos Electrónicos
𝑊 = 951 𝑛𝑚
JUNTURA pn: POLARIZACIÓN DE LA JUNTURA
En equilibrio térmico
13
Polarización inversa
Dispositivos Electrónicos
Polarización directa
JUNTURA pn: POLARIZACIÓN DE LA JUNTURA

-xp
xn
2𝜀𝑠
𝑁𝑎 + 𝑁𝑑
𝑊=
(𝑉𝑏𝑖 + 𝑉𝑅 )
𝑒
𝑁𝑎 𝑁𝑑
1/2
E
𝐸𝑚𝑎𝑥 = −
Polarización Inversa:
2(𝑉𝑏𝑖 + 𝑉𝑅 )
𝑊
La polarización induce un campo externo que se
suma al campo interno propio del equilibrio térmico.
Como la concentración de cargas es fija (Nd y Na),
esto implica que a medida que aumenta el campo E
aumenta la región de carga espacial.
14
V
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝑏𝑖 + 𝑉𝑅
Dispositivos Electrónicos
VR
Vbi
JUNTURA pn: POLARIZACIÓN DE LA JUNTURA

-xp
xn
2𝜀𝑠
𝑁𝑎 + 𝑁𝑑
𝑊=
(𝑉𝑏𝑖 − 𝑉𝑎 )
𝑒
𝑁𝑎 𝑁𝑑
1/2
E
𝐸𝑚𝑎𝑥 = −
Polarización Directa:
2(𝑉𝑏𝑖 − 𝑉𝑎 )
𝑊
La polarización induce un campo externo que se
opone al campo interno propio del equilibrio térmico.
Como la concentración de cargas es fija (Nd y Na),
esto implica que a medida que aumenta el campo E
disminuye la región de carga espacial.
15
V
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝑏𝑖 − 𝑉𝑎
Dispositivos Electrónicos
Vbi
Va
JUNTURA pn: DISTRIBUCIÓN DE PORTADORES
Aproximaciones
• Inyección de bajo nivel.
• Ionización completa
• No hay fuentes externas (ej. No luz).
• Aproximación de vaciamiento y unión abrupta.
• Estado estacionario
• No hay recombinación o generación en la zona de vaciamiento.
• Campo eléctrico despreciable en las regiones volumétricas.
• Dopado uniforme, Na y Nd son constantes.
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Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: DISTRIBUCIÓN DE PORTADORES
En equilibrio térmico
La barrera de potencial equilibra la
difusión de portadores mayoritarios
con el arrastre de portadores
minoritarios a través de la región de
carga espacial.
E
No hay flujos netos de electrones y de
huecos
Como consecuencia, la distribución de
portadores mayoritarios y minoritarios
en las zonas masivas es uniforme
𝐽𝑛 = 𝐽𝑎𝑛 + 𝐽𝑑𝑛 = e 𝑛 𝜇𝑛 𝐸 + 𝐷𝑛
𝐽𝑝 = 𝐽𝑎𝑝 + 𝐽𝑑𝑝 = e 𝑝 𝜇𝑝 𝐸 − 𝐷𝑝
17
𝑑𝑛
=0
𝑑𝑥
𝑑𝑝
=0
𝑑𝑥
Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: DISTRIBUCIÓN DE PORTADORES
𝑝𝑝0 = 𝑁𝑎
𝑛𝑛0 = 𝑁𝑑
En equilibrio
térmico
𝑛𝑖2
𝑛𝑝0 =
𝑁𝑎
𝑛𝑖2
𝑝𝑛0 =
𝑁𝑑
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Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: DISTRIBUCIÓN DE PORTADORES
Con polarización directa
𝐽
E
La polarización directa reduce la barrera
de potencial, favoreciendo la difusión de
portadores mayoritarios por sobre el
valor de equilibrio.
El arrastre de portadores minoritarios
cambia mucho menos apreciablemente.
Existe un flujo neto de carga a través de
la barrera.
La difusión genera un gradiente de
portadores minoritarios en las regiones
masivas
19
|𝐽𝑎𝑛 | < |𝐽𝑑𝑛 |
𝐽𝑛 = 𝐽𝑎𝑛 + 𝐽𝑑𝑛 = e 𝑛 𝜇𝑛 𝐸 + 𝐷𝑛
|𝐽𝑎𝑝 | < |𝐽𝑑𝑝 |
𝐽𝑝 = 𝐽𝑎𝑝 + 𝐽𝑑𝑝 = e 𝑝 𝜇𝑝 𝐸 − 𝐷𝑝
𝑑𝑛
>0
𝑑𝑥
𝑑𝑝
>0
𝑑𝑥
Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: DISTRIBUCIÓN DE PORTADORES
𝑝𝑝0 = 𝑁𝑎
𝑛𝑛0 = 𝑁𝑑
Polarización directa
𝑛𝑖2
𝑛𝑝0 =
𝑁𝑎
20
𝑛𝑖2
𝑝𝑛0 =
𝑁𝑑
Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: DISTRIBUCIÓN DE PORTADORES
Con polarización inversa
𝐽
E
La polarización inversa aumenta la
barrera de potencial, desfavoreciendo la
difusión de portadores mayoritarios.
El arrastre de portadores minoritarios
cambia mucho menos apreciablemente.
Existe un flujo neto de carga a través de
la barrera.
La difusión genera un gradiente de
portadores minoritarios en las regiones
masivas
21
|𝐽𝑎𝑛 | > |𝐽𝑑𝑛 |
𝐽𝑛 = 𝐽𝑎𝑛 + 𝐽𝑑𝑛 = e 𝑛 𝜇𝑛 ℰ + 𝐷𝑛
|𝐽𝑎𝑝 | > |𝐽𝑑𝑝 |
𝐽𝑝 = 𝐽𝑎𝑝 + 𝐽𝑑𝑝 = e 𝑝 𝜇𝑝 ℰ − 𝐷𝑝
𝑑𝑛
<0
𝑑𝑥
𝑑𝑝
<0
𝑑𝑥
Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: DISTRIBUCIÓN DE PORTADORES
𝑝𝑝0 = 𝑁𝑎
𝑛𝑛0 = 𝑁𝑑
Polarización inversa
𝑛𝑖2
𝑛𝑝0 =
𝑁𝑎
22
𝑛𝑖2
𝑝𝑛0 =
𝑁𝑑
Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: DISTRIBUCIÓN DE PORTADORES
Inyección de portadores minoritarios
La polarización de la juntura hace que la región tipo n (p) inyecte electrones (huecos)
minoritarios al otro lado de la región de carga espacial.
Esta inyección puede ser en exceso (polarización directa) o en defecto (polarización
inversa), alterando los valores de equilibrio térmico.
Veremos que la corriente por la juntura queda determinada por el gradiente de
portadores minoritarios.
𝑝𝑝0 = 𝑁𝑎
𝑛𝑝 (𝑥𝑝 − 𝑥)
23
𝑛𝑛0 = 𝑁𝑑
𝑝𝑛 (𝑥 − 𝑥𝑛 )
Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: DISTRIBUCIÓN DE PORTADORES
Inyección de portadores minoritarios
Con potencial aplicado Va<>0 e inyección de bajo nivel en estado estacionario:
𝑛𝑝 −𝑥𝑝 = 𝑛𝑛0
𝑛𝑝 −𝑥𝑝
𝑝𝑛 𝑥𝑛 =
Va>0
Para polarización inversa
𝑝𝑛 𝑥𝑛 = 𝑛𝑝 −𝑥𝑝 ≈ 0 con Va<-3Vt
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Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: DISTRIBUCIÓN DE PORTADORES
Gradiente de portadores minoritarios
Las corrientes netas estarán impuestas por el desequilibrio en la concentración
de portadores, más bien por la difusión de estos portadores.
Las ecuaciones de continuidad para exceso de portadores minoritarios en estado
estacionario, y sus condiciones de contorno, son:
𝑑 2 ∆𝑝𝑛 (𝑥)
𝑝 𝑑𝑥 2
𝐷
𝑥−𝑥
∆𝑝 (𝑥)
= 𝑛
𝜏𝑝
∆𝑝𝑛 𝑥𝑛 = 𝑝𝑛0 exp
𝑉𝑎
ൗ𝑉 − 1
𝑡
∆𝑝𝑛 𝑥 = 𝑝𝑛0 exp 𝑉𝑎ൗ𝑉𝑡 − 1 exp − 𝐿 𝑛
𝑝
∆𝑛𝑝 𝑥 = 𝑛𝑝0 exp 𝑉𝑎ൗ𝑉𝑡 − 1 exp
∆𝑝𝑛 ∞ = 0
𝑑 2 ∆𝑛𝑝 (𝑥) ∆𝑛𝑝 (𝑥)
𝐷𝑛
=
2
𝑑𝑥
𝜏𝑛
∆𝑛𝑝 −𝑥𝑝 = 𝑛𝑝0 exp
𝑉𝑎
ൗ𝑉 − 1
𝑡
∆𝑛𝑝 −∞ = 0
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Dispositivos Electrónicos
𝑥+𝑥𝑝
𝐿𝑛
𝑥 ≥ 𝑥𝑛
𝑥 ≤ −𝑥𝑝
JUNTURA pn: CARATERÍSTICA TENSIÓN - CORRIENTE
Consideraciones:
•
La corriente es constante en todo el dispositivo
𝐽𝑝 𝑥 + 𝐽𝑛 𝑥 = 𝐽𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 ∀𝑥, en particular ∀ − 𝑥𝑝 ≤ 𝑥 ≤ 𝑥𝑛
•
Las corrientes de huecos y de electrones son constantes en la región
de carga espacial (no generación/recombinación)
𝐽𝑝 𝑥 = 𝐽𝑝 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 ∀ − 𝑥𝑝 ≤ 𝑥 ≤ 𝑥𝑛
𝐽𝑛 𝑥 = 𝐽𝑛 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 ∀ − 𝑥𝑝 ≤ 𝑥 ≤ 𝑥𝑛
•
Las corrientes de arrastre de minoritarios
en los bordes de la región de carga
espacial son nulas (E=0)
𝐽𝑝 𝑥𝑛 = 𝐽𝑑𝑝 𝑥𝑛
𝐽𝑛 −𝑥𝑝 = 𝐽𝑑𝑛 −𝑥𝑝
𝐽𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐽𝑑𝑝 𝑥𝑛 + 𝐽𝑑𝑛 −𝑥𝑝
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Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: CARATERÍSTICA TENSIÓN - CORRIENTE
Corrientes de difusión de
portadores minoritarios
𝐽𝑑𝑝 (𝑥) = −𝑒 𝐷𝑝
𝐽𝑑𝑛 (𝑥) = −𝑒 𝐷𝑛
𝑑∆𝑝𝑛 (𝑥)
𝑑𝑥
𝑑∆𝑛𝑝 (𝑥)
𝐽𝑑𝑝
𝑑𝑥
𝑥+𝑥𝑝
𝑥 ≥ 𝑥𝑛
∆𝑛𝑝 𝑥 = 𝑛𝑝0 exp 𝑉𝑎ൗ𝑉𝑡 − 1 exp
𝑥 ≤ −𝑥𝑝
∆𝑝𝑛 𝑥 = 𝑝𝑛0 exp 𝑉𝑎ൗ𝑉𝑡 − 1 exp − 𝐿 𝑛
𝐿𝑛
𝑥−𝑥
𝑝
𝐽𝑑𝑝
𝐽𝑑𝑛
𝐽𝑑𝑛
Corriente total
𝐽𝑆 = 𝑒
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Dispositivos Electrónicos
𝐷𝑝
𝐷𝑛
+
𝑛𝑖2
𝐿𝑝 𝑁𝐷 𝐿𝑛 𝑁𝐴
JUNTURA pn: CARATERÍSTICA TENSIÓN - CORRIENTE
Corrientes de portadores minoritarios
𝐽𝑑𝑝
𝐽𝑑𝑛
Las corrientes de portadores mayoritarios quedan impuestas por los
minoritarios
𝐽𝑆 = 𝑒
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𝐷𝑝
𝐷𝑛
+
𝑛𝑖2
𝐿𝑝 𝑁𝐷 𝐿𝑛 𝑁𝐴
Dispositivos Electrónicos
JUNTURA pn: CARATERÍSTICA TENSIÓN - CORRIENTE
Ejemplo: Cálculo de la corriente de saturación inversa
𝐷𝑝
𝐷𝑛
𝐽𝑆 = 𝑒
+
𝑛𝑖2
𝐿𝑝 𝑁𝐷 𝐿𝑛 𝑁𝐴
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Dispositivos Electrónicos
El diodo de unión
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Dispositivos Electrónicos
EL DIODO DE UNIÓN
Ánodo
Ánodo
Cátodo
P
N
(NA)
(ND)
Cátodo
Región de
carga espacial
Región neutra
tipo P
Región neutra
tipo N
Si se colocan los terminales de ánodo (región P) y cátodo (región N) se
forma un dispositivo electrónico denominado diodo de unión PN.
El diodo es un dispositivo rectificador:
• Es un buen conductor en un sentido de corriente (polarización directa)
• Es un buen aislante en sentido opuesto de corriente (polarización inversa)
• Esta propiedad le da un sinfín de aplicaciones
31
Dispositivos Electrónicos
EL DIODO DE UNIÓN: CARACTERÍSTICA I-V
Si bien el cálculo de la corriente se ilustró para Va>0, las ecuaciones
valen también para Va<0.
𝐽𝑠 = 𝑒
𝐷𝑝
𝐷𝑛
+
𝑛𝑖2
𝐿𝑝 𝑁𝐷 𝐿𝑛 𝑁𝐴
𝐽
Si Va>3Vt, entonces 𝐽 ≅ 𝐽𝑆 exp 𝑉𝑎ൗ𝑉𝑡 → ln 𝐽 ≅ 𝑉𝑎ൗ𝑉𝑡
𝑆
Si V<-3Vt, entonces 𝐽 ≅ −𝐽𝑆
|𝐽|
𝐽𝑆
𝐽/𝐽𝑠
Gráfico
normalizado
escala
semilogarítmica
𝑉𝑎/𝑉𝑡
|𝑉𝑎 |
ൗ𝑉
𝑡
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Dispositivos Electrónicos
EL DIODO DE UNIÓN: EFECTO DE LA TEMPERATURA
Efecto de la temperatura
𝐷=𝜇
𝑘𝑇
𝑒
El resultado neto es que Js
aumenta con la temperatura a
razón de 4 veces cada 10°C
Temp
En polarización directa, Js
también crece con la temperatura
pero a un ritmo algo menor
33
Temp
Dispositivos Electrónicos
EL DIODO DE UNIÓN: APARTAMIENTOS DE LA CURVA I-V
Apartamientos en polarización directa
n
n: factor de idealidad que tiene en cuenta aproximaciones realizadas.
Para el Silicio, 1 ≤ 𝑛 ≤ 1,06 para varias décadas de corriente.
Los factores que más apartan la
característica real de la ideal son:
•
Recombinación de portadores en la región de
carga espacial, aumenta significativamente la
corriente en la región de bajas corrientes.
•
Inyección de alto nivel, reduce
significativamente la corriente en la región de
altas corrientes
•
Caídas de tensión en las regiones masivas por
deriva (resistividad).
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Dispositivos Electrónicos
EL DIODO DE UNIÓN: APARTAMIENTOS DE LA CURVA I-V
Apartamiento en polarización inversa: Ruptura de la juntura
Cuando se polariza en inversa la juntura pn con tensiones muy elevadas
se produce la ruptura de la unión dando lugar a un aumento significativo
de la corriente inversa.
El fenómeno de ruptura no es necesariamente destructivo ni
irreversible. Si el circuito externo limita la corriente y el dispositivo es
capaz de disipar la energía térmica que se produce en la juntura, la
ruptura es reversible.
Es más, existen dispositivos que aprovechan el proceso de ruptura para
ofrecer características interesantes.
Existen básicamente dos procesos por
los cuales se produce la ruptura de la
juntura:
1. Efecto túnel
2. Avalancha
35
Dispositivos Electrónicos
EL DIODO DE UNIÓN: APARTAMIENTOS DE LA CURVA I-V
Ruptura por efecto túnel
Se produce en junturas muy dopadas, por lo que la
región de carga espacial es muy angosta.
Al polarizar inversamente la juntura con una tensión
elevada, las BV y BC están muy próximas en la región
de carga espacial.
Más aún, los electrones de la BV de la zona tipo p
tienen más energía que los estados cuánticos vacíos
de la BC de la zona tipo n.
La probabilidad de que los electrones de la BV
atraviesen la región de carga espacial y alcancen la BC
es finita.
Cuando la tensión inversa es tal que existen muchos
electrones con esa probabilidad, se produce el efecto
túnel. Los electrones de la BV de la zona tipo p
atraviesan la juntura hacia la zona tipo n y dejan un
hueco en la zona tipo p.
36
Dispositivos Electrónicos
VR
EL DIODO DE UNIÓN: APARTAMIENTOS DE LA CURVA I-V
Ruptura por avalancha
Al polarizar inversamente la juntura con una
tensión elevada, el campo eléctrico en la
región de carga espacial es muy elevado.
Los portadores que difunden a través de esta
región alcanzan velocidades muy elevadas,
por lo que al chocar con un átomo de la
estructura pueden arrancarle un electrón,
generando además un hueco (ionización por
impacto).
Tanto el portador original, como los nuevos
son capaces de adquirir energía suficiente
para volver a producir nuevos pares electrónhueco en la región de carga espacial.
Se genera así un efecto en cadena o
avalancha.
37
Dispositivos Electrónicos
EL DIODO DE UNIÓN: COMPORTAMIENTO DINÁMICO
La característica I-V fue determinada bajo condiciones estáticas (constantes).
El diodo de unión tiene aplicaciones en alta frecuencia, donde presenta un
comportamiento capacitivo. En alta frecuencia, el punto (i,v) se aparta de la curva estática
Capacidad de la barrera
En la región de carga espacial, hay una concentración
de carga neta a cada lado de la unión.
Ante un incremento en la polarización inversa, se
incorpora carga neta a ambos lados de la región de
carga espacial.
Existe una relación no-lineal entre tensión y carga que
se asocia a una capacidad (capacidad de barrera)
38
2𝜀𝑠
𝑁𝑎 + 𝑁𝑑
𝑊=
(𝑉𝑏𝑖 + 𝑉𝑅 )
𝑒
𝑁𝑎 𝑁𝑑
Dispositivos Electrónicos
1/2
EL DIODO DE UNIÓN: COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Capacidad de la barrera
𝜕𝑄
𝐶𝑗 =
𝜕𝑉𝑅
Capacidad de la barrera
por unidad de área
d𝑄 = 𝑒 𝑁𝑑 𝑑𝑥𝑛 = 𝑒 𝑁𝑎 𝑑𝑥𝑝
densidad de carga
por unidad de área
2𝜀𝑠
𝑁𝐴
𝑥𝑛 =
(𝑉𝑏𝑖 + 𝑉𝑅 )
𝑒
𝑁𝐷 (𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 )
𝑒𝜀𝑠
𝑁𝐴 𝑁𝐷
𝐶𝑗 =
2(𝑉𝑏𝑖 + 𝑉𝑅 ) (𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 )
1Τ2
1Τ2
2𝜀𝑠
𝑁𝑎 + 𝑁𝑑
𝑊=
(𝑉𝑏𝑖 + 𝑉𝑅 )
𝑒
𝑁𝑎 𝑁𝑑
1/2
𝜀𝑠
𝐶𝑗 =
𝑊
no es ni más ni menos que la capacidad de placas paralelas separadas W
39
Dispositivos Electrónicos
EL DIODO DE UNIÓN: COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Capacidad de la barrera
𝜀𝑠
𝑒𝜀𝑠
𝑁𝐴 𝑁𝐷
𝐶𝑗 =
=
𝑊
2(𝑉𝑏𝑖 + 𝑉𝑅 ) (𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 )
𝐶𝑗0 =
𝜀𝑠
𝑒𝜀𝑠
𝑁𝐴 𝑁𝐷
=
𝑊0
2𝑉𝑏𝑖 (𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 )
𝐶𝑗 = 𝐶𝑗0
1 Τ2
Capacidad de la barrera por unidad de área
CJ
1Τ2
CJ0
1
𝑉𝑅 1/2
1+𝑉
𝑏𝑖
Vbi
Va
La capacidad de barrera también está para polarización directa
(aunque la ecuación deja de ser válida cuando la polarización directa se aproxima a Vbi)
De todas maneras, para polarización directa hay otra capacidad predominante.
40
Dispositivos Electrónicos
EL DIODO DE UNIÓN: COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Capacidad de difusión
La inyección de portadores minoritarios tiene
asociada una distribución espacial de
portadores minoritarios, y por ende una
distribución espacial de carga de portadores
minoritarios. Recordemos que los portadores
minoritarios imponen la corriente.
Ante un cambio en la polarización, se modifica el perfil de carga de
portadores minoritarios, o carga de difusión.
Existe una relación no-lineal entre tensión y carga que se asocia a una
capacidad (capacidad de difusión)
41
Dispositivos Electrónicos
EL DIODO DE UNIÓN: COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Capacidad de difusión
Existe una relación no-lineal entre
tensión y carga que se asocia a una
capacidad
𝑥 ≤ −𝑥𝑝
∆𝑛𝑝 𝑥 = ∆𝑛𝑝 −𝑥𝑝
𝑥 ≥ 𝑥𝑛
𝑥 + 𝑥𝑝
exp
𝐿𝑛
∆𝑛𝑝 −𝑥𝑝 = 𝑛𝑝0 exp
𝑉𝑎
ൗ𝑉 − 1
𝑡
−𝑥𝑝
𝑄𝑛 = න
−𝑒∆𝑛𝑝 𝑥 𝑑𝑥 = −𝑒𝐿𝑛 ∆𝑛𝑝 −𝑥𝑝
−∞
𝑥 − 𝑥𝑛
∆𝑝𝑛 𝑥 = ∆𝑝𝑛 𝑥𝑛 exp −
𝐿𝑝
∆𝑝𝑛 𝑥𝑛 = 𝑝𝑛0 exp
𝑉𝑎
ൗ𝑉 − 1
𝑡
∞
𝑄𝑝 = න 𝑒∆𝑝𝑛 𝑥 𝑑𝑥 = 𝑒𝐿𝑝 ∆𝑝𝑛 𝑥𝑛
𝑥𝑛
que no es ni más ni menos que las corrientes de difusión en los bordes de la
región de carga espacial por los tiempos de vida media de los portadores
𝑄𝑝 = 𝜏𝑝 𝐽𝑑𝑝 𝑥𝑛
42
𝑄𝑛 = −𝜏𝑛 𝐽𝑑𝑛 −𝑥𝑝
Dispositivos Electrónicos
EL DIODO DE UNIÓN: COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Capacidad de difusión
Cargas de minoritarios
por unidad de área:
𝑄𝑝 = 𝜏𝑝 𝐽𝑑𝑝 𝑥𝑛
𝑄𝑛 = −𝜏𝑛 𝐽𝑑𝑛 −𝑥𝑝
Se define:
1 𝜕( 𝑄𝑝 + 𝑄𝑛 ) 1 𝜕𝐽𝑝 (𝑥𝑛 ) 1 𝜕𝐽𝑛 (−𝑥𝑝 )
𝐶𝑑 =
= 𝜏𝑝
+ 𝜏𝑛
2
𝜕𝑉𝑎
2
𝜕𝑉𝑎
2
𝜕𝑉𝑎
𝜏𝑛 𝐽𝑠𝑛 + 𝜏𝑝 𝐽𝑠𝑝
𝐶𝑑 =
exp(𝑉𝑎/𝑉𝑡)
2𝑉𝑡
𝐽𝑆𝑝
𝐽𝑑𝑝
𝐽𝑑𝑛
𝐽𝑆𝑛
La capacidad de difusión crece exponencialmente
con la tensión de polarización.
43
Dispositivos Electrónicos
EL DIODO DE UNIÓN: COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Capacidad de difusión
𝐶𝑑 =
1 𝜕( 𝑄𝑝 + 𝑄𝑛 )
2
𝜕𝑉𝑎
𝜏𝑛 𝐽𝑠𝑛 + 𝜏𝑝 𝐽𝑠𝑝
𝐶𝑑 =
exp(𝑉𝑎/𝑉𝑡)
2𝑉𝑡
En polarización directa (𝑉𝑎 ≫ 𝑉𝑡):
𝐶𝑑 =
𝜏𝑑
𝐽
2𝑉𝑡
𝜏𝑑 =
𝐽 = 𝐽𝑆 𝑒 𝑉𝑎/𝑉𝑡 − 1 ≅ 𝐽𝑆 𝑒 𝑉𝑎/𝑉𝑡
𝜏𝑛 𝐽𝑠𝑛 + 𝜏𝑝 𝐽𝑠𝑝
𝐽𝑆
En polarización directa, Cd crece proporcionalmente con la corriente, y
predomina frente a la capacidad de barrera Cj
En polarización inversa, Cd es despreciable frente a Cj
44
Dispositivos Electrónicos
EL DIODO DE UNIÓN: COMPORTAMIENTO DINÁMICO
El diodo como Rectificador tiene dos estados:
• OFF: polarización inversa 𝐼 = −𝐼𝑠 ≅ 0 𝑉 = −𝑉𝑅
• ON: polarización directa
𝑉
𝐼 ≅ exp 𝑉𝑡
𝑉≅0
Conmutación: cambio en el estado de conducción del diodo.
En un diodo ideal, la conmutación es instantánea.
En un diodo real existe un transitorio para cada conmutación:
• Transitorio de conexión (TC): pasaje de OFF a ON.
• Transitorio de desconexión (TD): pasaje de ON a OFF.
Transitorio crítico: requiere evacuar todos
los portadores en exceso
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EL DIODO DE UNIÓN: COMPORTAMIENTO DINÁMICO
El transitorio de desconexión (TD)
i(t)
RF
VF
IF
+
-
on
t=0
IR
RR
VR
+
+
VA (t)
-
tr
ts
trr
off
tS → tiempo almacenamiento (juntura en directa, corriente de difusión inversa).
tr → tiempo de recuperación (diodo en inversa).
trr → tiempo de recuperación inversa.
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Diodos con características
especiales
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DIODOS ESPECIALES: EL DIODO ZENER
Los diodos zéner son dispositivos que se
polarizan en inversa.
Aprovechan la ruptura (reversible) para generar
una caída de tensión constante Vz.
Se fabrican para tener una tensión de ruptura
baja. Pueden ser por efecto túnel o avalancha.
Vz
Son muy utilizados en circuitos reguladores de
tensión, y para construir fuentes de corriente.
Coeficiente de temperatura
Para 𝑉𝑍 <
4𝐸𝐺
𝑑𝑉𝑍
predomina
el
efecto
túnel
y
<0
𝑒
𝑑𝑇
Para 𝑉𝑍 >
6𝐸𝐺
𝑑𝑉𝑍
predomina
la
avalancha
y
>0
𝑒
𝑑𝑇
Para
4𝐸𝐺
6𝐸𝐺
<
𝑉
<
se combinan ambos efectos
𝑍
𝑒
𝑒
𝑑𝑉𝑍
≈ 0 de ahí que los zéner de Si más
𝑑𝑇
con
estables con la temperatura sean de 5,6V
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DIODOS ESPECIALES: EL VARACTOR
Los varactores son diodos que se desempeñan como
una capacidad (la capacidad de barrera) ajustable con
la tensión de polarización.
Se polarizan en inversa, presentan una baja corriente
de pérdida Js
Son utilizados en sintonizadores y circuitos
de comunicaciones
𝜀𝑠
𝑒𝜀𝑠
𝑁𝐴 𝑁𝐷
𝐶 =𝐴
=𝐴
𝑊
2(𝑉𝑏𝑖 + 𝑉𝑅 ) (𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 )
𝐶 = 𝐶0
STVD901J
1
𝑉𝑅 1/2
1+𝑉
𝑏𝑖
𝑒𝜀𝑠
𝑁𝐴 𝑁𝐷
𝐶0 = 𝐴
2𝑉𝑏𝑖 (𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 )
49
1Τ2
1Τ2
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DIODOS ESPECIALES: EL DIODO SCHOTTKY
Son diodos a base de una juntura metal-semiconductor,
typ entre un metal y un semiconductor tipo n
Son diodos a base de una juntura metal-semiconductor,
typ entre un metal y un semiconductor tipo n. Es un
dispositivo gobernado por los portadores mayoritarios
Si bien la característica tensión – corriente es
exponencial como en el diodo de unión,
presenta dos diferencias fundamentales:
𝑉𝑎
𝑉𝑡
𝐽 = 𝐽𝑆 𝑒 − 1
𝐽𝑆 = 𝐾1 𝑁𝑑 𝑒
𝑉𝑏𝑖
− 𝑉𝑡
1) Las corrientes de saturación inversa son totalmente distintas, y es órdenes de
magnitud mayores para el diodo schottky. Esto da lugar también a un crecimiento
más rápido de la corriente en directa.
2) El diodo schottky es mucho más rápido que el diodo de unión en la conmutación
debido a que no existe la capacidad de difusión ni hay que remover cargas de
portadores minoritarios. Typ los tiempos de respuesta son del orden de
picosegundos vs nanosegundos del diodo pn.
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