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Ing. Renzo Bolívar Valdivia

ANALISIS Y DISEÑO DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

Operación interna del diodo semiconductor

Temas

Aprender como se construye y opera un diodo semiconductor

◦ Tipos de material semiconductor◦ Operación de la unión de material tipo p con material tipo n◦ Demostrar por qué esta unión solo favorece el paso de corriente en una dirección

2 agosto de 2010

Material semiconductor

¿Qué es material semiconductor?

Material capaz de conducir electricidad a temperatura ambiente.◦ Conduce mucho mejor que un material aislador (“insulators”) pero◦ No conduce tan bien como los metales.(cobre, oro, plata, hierro, aluminio).

Materiales semiconductores más comunes: ◦ Germanio (Ge)◦ Silicio (Si)◦ Galio Arsénico (GaAs)

4 agosto de 2010

Tipos de semiconductor

Intrínseco◦ Material puro, libre de impurezas que alteren sus propiedades eléctricas.

Extrínseco◦ Material al cual se le han añadido impurezas para alterar deliberadamente sus

propiedades eléctricas.

5 agosto de 2010

Semiconductor intrínseco

Modelo plano de estructuracristalina de Silicio (en realidad esun tetraedro).

Cuatro enlaces covalentes porátomo. (Valencia de 4)

- -

--

-

-

-

-- -

- -

- -

- -

- -

- -

--

--

--

--

--

--

--

--

- - - -

- -

--

--

--

6 agosto de 2010

Creación de par electrón-hueco

La agitación termal rompe algunos enlaces covalentes.

Como consecuencia se crea pareja de:◦ Electrón libre (“free electron”)◦ Hueco (“Holes”)

Hay tantos electrones libres como huecos.

- -+

-

7 agosto de 2010

Creación de par electrón-hueco

+

-

-

Densidad de electrones libres

Densidad de huecos

Densidad intrínseca

ni = n = p

constante

Temp(oK)

Temp (oK)

Brecha de energía (eV)

Constante de Boltzmann

(eV/oK)

Para Silicio a 300oKni ≈ 1.5 x1010 portadores/cm3

8 agosto de 2010

Corriente de huecos

- - - -- - - -- -- - +

Enlace por romperse

- - - -- - - -- -- - +

Hueco existente

Hueco nuevo

+-

Antigua ubicación del hueco

Carga positiva se movió

Carga negativa se movió

+++ Campo eléctrico externo ---9 agosto de 2010

Recombinación

Recombinación es la acción de un electrón libre moverse hasta ocupar unhueco.

◦ La corriente de huecos depende del proceso de recombinación.

El efecto neto de la recombinación es que desaparecen tanto el hueco como elelectrón libre.

◦ Se restaura el enlace que se había roto.

Recuerde que el hueco es la ausencia de un electrón, NO es un protón.

10 agosto de 2010

Mecanismos de conducción en

semiconductores

Dos mecanismos de conducción

Deriva (“Drift”)– los electrones o huecos se mueven atraídos o repelidos por un campo eléctrico externo.

Difusión (“Diffusion”)– los electrones o huecos se mueven de áreas de alta concentración a áreas de baja concentración.

En los metales el mecanismo de conducción es deriva.

En los semiconductores ambos mecanismos son importantes.

12 agosto de 2010

Conducción por difusión

Baja concentración

Alta concentración

-

-

- -

--

--

- -

-

DifusiónLos electrones libres (o huecos) semueven de áreas de altaconcentración a áreas de bajaconcentración.

La corriente cesa cuando se igualanlas concentraciones.

-

-

--

-

13 agosto de 2010

Conducción por difusión

¿Cómo puede existir diferencia en concentración?

Perfil de distribuciónde carga

+

+

+++++++

+++++++

+++++++

++++

++++

x

p

Causas:– Diferencias en temperatura, luz,

campos EM...– Inyección de portadores al

interior del material.– Impurezas.

14 agosto de 2010

Conducción por difusión

La densidad de corriente de huecos:

La densidad de corriente de electrones:

Dp es la constante de difusión para los huecos, q es la carga del electrón, pes la densidad de huecos y x es distancia.

Densidad de corriente es corriente por unidad de volumen.

Dn es la constante de difusión para los electrones.Jn y Jp difieren en signo debido a la polaridad de la carga.

En SilicioDp = 12 cm2/s, Dn = 34 cm2/s

15 agosto de 2010

Conducción por deriva

--

-

-

- - - - - - - - - - -

+ + + + + + + +

• En ausencia de campo externo no hayconducción.

• La dirección del flujo de corriente depende dela polaridad del campo externo.

-

- --

16 agosto de 2010

Conducción por deriva

Para los huecos y electrones, la densidad de corriente por deriva es:

Donde E es la intensidad del campo eléctrico externo q es la carga del electrónp es la densidad de huecosn es la densidad de electrones libresμp es la movilidad del hueco (480 cm2/s para Si)μn es la movilidad del electrón (1350 cm2/s para Si)

Los electrones se mueven casi 3 veces

más rápido.

17 agosto de 2010

Semiconductor extrínseco

Semiconductor extrínseco

Material semiconductor al cual se le añadieron impurezas para modificar sus propiedades eléctricas.

¿Por qué hacer eso?

◦ Hacer que existan más huecos que electrones libres (p >> n) -- Material tipo p.

◦ Hacer que existan más electrones libres que huecos (n >> p) -- Material tipo n

Átomo de impureza debe ser de tamaño comparable al de Si para que pueda ocupar su lugar con facilidad.

Átomos con valencia de 3

Átomos con valencia de 5

19 agosto de 2010

Proceso de dopaje

Dopaje (“doping”) es el proceso de añadir impurezas.

Consiste en obligar a que las impurezas penetren al material intrínseco.

¿Cómo se logra?◦ Calienta al material intrínseco a temperatura bien alta. ◦ Expone al material a un gas en el cual están los átomos de impurezas.◦ Por difusión, las impurezas penetran al material.

Material semiconductor (Silicio)Material semiconductor (Silicio)

20 agosto de 2010

Material tipo p

Material tipo p

Se le dice al material en el cualpredominan los huecos sobre loselectrones libres.

Se logra añadiendo impurezasaceptadoras (“acceptors”).◦ átomos con 3 electrones de valencia.

(Ejemplo: Boro).

Solamente tres enlaces secompletan.◦ Queda un hueco.

La impureza es aceptadora porquepuede aceptar a un electrón libre.

-

- -

- -

- -

- -

- -

- -

--

--

--

--

--

--

--

--

--

-+

22 agosto de 2010

Material tipo p

Generalmente NA >> n, así que pp0 ≈ NA.np0 ≈ ni

2/NA

+ -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

--

--

--

--

--

--

--

--

--

p indica que estamos hablando de material tipo p, 0 quiere indicar que esta es la condición en reposo (ausencia de estímulo externo.)

NA = densidad de átomos aceptadores

23 agosto de 2010

Resumen material tipo p

Huecos son portadores mayoritarios.

Electrones libres son portadores minoritarios.◦ Conducción mayormente a cargo

de los huecos.

Debido a que se fabrica para que p >> n, ◦ Los electrones libres contribuyen

poco al flujo de corriente en este material.

24 agosto de 2010

Material tipo n

Material tipo n

Se le dice al material en el cualpredominan los electrones libressobre los huecos.

Se logra añadiendo átomos deimpurezas con 5 electrones devalencia. (Ejemplo: Fósforo)◦ Solamente completa cuatro

enlaces.

Queda un electrón que puede serliberado con poca energía.

La impureza es donante (“donor”)porque puede ceder ese electrón.

- -

- - - -

- - - -

- -

- - - -

- ---

--

--

--

--

--

--

--

--

-

26 agosto de 2010

Material tipo n

Generalmente ND >> p, así que nn0 ≈ ND.pn0 ≈ ni

2/ND

- -

- - - -

- - - -

- -

- - - -

- ---

--

--

--

--

--

--

--

--

-

n indica que estamos hablando delmaterial tipo n,

0 quiere indicar que esta es la condiciónen reposo (ausencia de estímulo externo).

ND = densidad de átomos donantes

27 agosto de 2010

Resumen material tipo nElectrones son los portadores mayoritarios. Huecos son portadores minoritarios.

◦ Conducción mayormente a cargo de los electrones.

Debido a que se fabrica para que n >> p,

◦ los huecos contribuyen muy poco al flujo de corriente en este material.

28 agosto de 2010

Unión pn

La unión pn

Unión de material tipo p con material tipo n. ◦ Un solo trozo de material semiconductor. ◦ Mediante dopaje, un lado se convierte en n, otro en p.

Observaremos su operación bajo tres condiciones:◦ Circuito abierto – ningún estímulo externo.◦ Polarización inversora – tratar de inyectar corriente en contra de la flecha.◦ Con polarización directa -- tratar de inyectar corriente a favor de la flecha.

v+ -i

p n+ -

30 agosto de 2010

Unión pn en circuito abierto

Esto significa cero voltaje, cero corriente

p n+ -

v

i

---

++

+

+ +++++

++

+

- -----

--

-

En la frontera entre n y p ocurre lo siguiente:

• Difusión de electrones libres del lado n hacia el p.• Provoca recombinación con los huecos del

lado p.

• Los átomos donantes y aceptadores se ionizan.• Impide que continúe la difusión.

31 agosto de 2010

Unión pn en circuito abierto

v

i

p n---

++

+

+ +++++

++

+

- -----

--

-

+ -

Como consecuencia:

• Se crea una zona de agotamientodonde no quedan portadores de carga disponibles.

• Las cargas fijas establecen un campo eléctrico.

Zona de agotamiento (“depletion zone)

Cualquier portador de carga que intente cruzar necesita tener energía suficiente para vencer la barrera de potencial

32 agosto de 2010

Unión pn en circuito abierto

v

i

p n---

++

+

+ +++++

++

+

- -----

--

-

+ -

x

Pote

ncia

l

voltaje de barrera (Vo)

Para cruzar la unión, el electrón tiene que

exceder a V0. (barrera de potencial eléctrico)

Para Silicio VO ≈ 0.7 V a temperatura de salón.

xp

xn

33 agosto de 2010

Polarización inversora

Unión pn en polarización inversora v+ -i

v

i

La fuente externa intenta hacerfluir una corriente I a través dela unión.

• Aleja los portadores de carga mayoritarios de la zona de la unión.

• Solo los portadores minoritarios tienen condiciones favorables para cruzar la unión.

Pero son muy pocos...

p n---

++

+

+ +++++

++

+

- -----

--

-

+ -

I

35 agosto de 2010

Unión pn en polarización inversora v+ -i

v

i

La fuente obliga a los electroneslibres del lado n a abandonarlo.Igual ocurre con los huecos en ellado p.

Aumenta el ancho de la zona de agotamientoy por consiguiente el potencial requerido paracruzarlo.

En todo momento I < IS.

P N+ +

++++

++

+

- -----

--

-

+ -

I

---

++

+

---

++

+

Solamente los portadores minoritarios pueden cruzar la

unión pero son muy pocos para hacer diferencia.

36 agosto de 2010

Unión pn en polarización inversora v+ -i

v

i

La zona de agotamiento equivale aun capacitor.

su capacitancia es función devoltaje externo.

P N---

++

+

+ +++++

++

+

- -----

--

-

+ -

I

---

++

+

Diodo Varactor – aprovecha estapropiedad de capacitancia controladapor voltaje.

37 agosto de 2010

Región de ruptura

Unión pn en región de ruptura

v+ -i

v

i

La fuente externa intentahacer que I >IS.

• Hace que Vo aumente hasta el punto que el campo de fuerza es tan intenso que...

•Existe energía suficiente para romper enlaces.•Provoca un aumento dramático en la densidad de portadores de carga disponibles.

P N---

++

+

+++

--

-

+ -

I

++

+++

+

---

---

VZK

39 agosto de 2010

Unión pn en región de ruptura

v+ -i

v

i

Existen dos tipos de mecanismosde rompimiento de enlaces.

• Zener• campo eléctrico rompe enlaces en la

zona de agotamiento, creando pares deelectrón – hueco libres.

• Avalancha• energía cinética de los portadores que

cruzan la unión es suficiente pararomper enlaces en su paso (encualquier lugar del material)

P N---

++

+

+++

--

-

+ -

I

++

+++

+

---

---

VZK

40 agosto de 2010

Unión pn en región de ruptura

Mecanismo de Zener

--+

Enlace roto por el campo eléctrico

Campo eléctrico

-

41 agosto de 2010

Unión pn en región de ruptura

Mecanismo de avalancha

+

-

-

Enlace roto por la colisión con un electrón que fue

acelerado.

Campo eléctrico

42 agosto de 2010

Polarización directa

Unión pn en polarización directa

+ -p n

v+ -i

v

i

Si I > IS, la fuente inyectaelectrones al lado n.

• Por difusión los electrones se muevenhacia la unión, reduciendo la zona deagotamiento y el potencial necesariopara cruzarla.

• Si el potencial externo es menor que Vo,pocos portadores fluyen.

I

+ +++++

++

+

- -----

--

-

---

++

+

Vo

e e e e e e e e e

44 agosto de 2010

ResumenLa interacción entre las zonas p y n en la uniónprovoca que:

◦ La unión solo permite el flujo abundante decorriente cuando la fuente externa le inyectaportadores de carga del mismo tipo que losmayoritarios presentes en el material.

◦ Si inyecta portadores del mismo tipo que losminoritarios, fluye una cantidad muy pequeña.

Para todos los propósitos no conduce. Banda marca el cátodo

v+ -i

45 agosto de 2010

Resumen

Para un diodo rectificador (aquel cuya función es permitir el paso decorriente en una sola dirección).

◦ Si el voltaje negativo aplicado es demasiado alto la unión opera en laregión de ruptura, conduciendo corriente abundante.

El voltaje externo negativo máximo no debe exceder el PIV.

◦ Para entrar en conducción plena el voltaje externo debe sobrepasarV0.

46 agosto de 2010

Efecto de temperatura

Corriente de saturación

v+ -i

v

i

La corriente de saturación está dada por:

Área unión

Densidad intrínseca Largos de

difusión

Densidades de aceptadores y

donantes

Constantes de difusión

np

Área unión

IS depende de geometría, materiales y temperatura

48 agosto de 2010

Importancia de temperatura

Note que T aparece en varios puntos enlas ecuaciones.

Es importante entender que cambiosgrandes en temperatura producencambios drásticos en las característicaseléctricas del componente.

El diseñador debe prestar atención a latemperatura de operación y a disipar elcalor que produce el componente.

49 agosto de 2010

Al terminar esta lección

Debe poder:Explicar lo que es un material semiconductor tipo p y n.Explicar como el diodo favorece flujo de corriente en unasola dirección.Entender el rol de los materiales en la definición de laspropiedades eléctricas del diodo.

50 agosto de 2010

Infórmate en:

Jaeger y Blalock 2da edición: Secciones 2.1, 2.2, 2.5, 2.6 y 3.1

51 agosto de 2010

¿Preguntas?

52 agosto de 2010