Sesión 7Fundamentos de dispositivos

semiconductores

Componentes y Circuitos ElectrónicosIsabel 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 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

UC3M 2009 2CCE - Sesión 7

Introducción a la Teoría de Semiconductores

Teoría de Bandas

Conductor AislanteSemiconductor

Eo

BC

BV

E

Eo

BC

EConductor Aislante

GAPEo

BC

ESemiconductor

BV

BVBV

UC3M 2009 3CCE - Sesión 7

Teoría de SemiconductoresSemiconductores Intrínsecos. Pares electrón-hueco.

ni2(T)=n·p n=p (intrínseco) [ ]hee pnq µµρσ ⋅+⋅== /1 [ ]hee pnq µµρσ ⋅+⋅== /1

1,1eVEo

BC

ESemiconductor

1,1eVEo

BV

UC3M 2009 4CCE - Sesión 7

Semiconductores Intrínsecos (Si)T=0ºK (Equilibrio Térmico)

+4

-

-

-

-

- -

+4

-

-

-

-+4

-

-

-

-

-

Enlace covalente

+4

-

-- +4

-

--+4

-

--

+4

-

-

-

- +4

-

-

-

-+4

-

-

-

-

electrón

T > 0ºK

UC3M 2009 5CCE - Sesión 7

-

+4

-

-

-

- +4

-

-

-

-

--

+4

-

-

-

-

Enlace covalente roto

+

electrónlibre (e-)

hueco libre (h+)

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])

dx

dpDq

dx

dnDqJJJ pndpdnd ••−••=+=

• ARRASTRE: Al aplicar un campo eléctrico E [V/cm2]• ARRASTRE: Al aplicar un campo eléctrico E [V/cm2]

+4-

-

-

-

--

+4-

-

-

-+4-

-

-

-

-

Movimiento e-

+

+ -E

+

Dos tipos de portadores: e- y h+

UC3M 2009 6CCE - Sesión 7

+4-

-- +4-

-

-

-+4-

-

-

-++

Movimiento h+

Corriente

EpqEnqJJJ pnapana µµ ••+•••=+=

e- y h+

• Concepto de Impureza (Donante)

TIPO n: Se añaden al semiconductor átomos con un electrón más en la banda de valencia. Ej:

Semiconductores Extrínsecos.

TIPO n: Se añaden al semiconductor átomos con un electrón más en la banda de valencia. Ej: Fósforo (P).

+4

-

-

-

-

- -

+4

-

-

-

-+4

-

-

-

-

- -

e- libre ni2(T) = n·p

n > p (extrínseco tipo n)

UC3M 2009 7CCE - Sesión 7

+4

-

-- +5

-

--+4

-

-

-

--

e- : portadores mayoritarios

h+ : portadores minoritarios

• Concepto de Impureza (Aceptadora)

Semiconductores Extrínsecos.

TIPO p: Se añaden al semiconductor átomos con un electrón menos en la banda de valencia.

+4

-

-

-

-

-

+4

-

-

-

-+4

-

-

-

-

- +

h+ libre

TIPO p: Se añaden al semiconductor átomos con un electrón menos en la banda de valencia.Ej: Boro (B)

ni2(T) = n·p

p > n (extrínseco tipo p)

h+ : portadores mayoritarios

UC3M 2009 8CCE - Sesión 7

+4

-

-- +3

-

--+4

-

--+

h+ : portadores mayoritarios

e- : portadores minoritarios

Semiconductores Tipo p y Tipo n.

SEMICONDUCTOR TIPO n• Aporta extra de e- portadores mayoritarios (no ~ ND)• Menos h+ portadores minoritarios (p = n 2 / N )• Menos h+ portadores minoritarios (pn = ni

2 / ND)

SEMICONDUCTOR TIPO p• Aporta extra de h+ portadores mayoritarios (po ~ NA)• Menos e- portadores minoritarios (np = ni

2 / NA)

DE LA TEORÍA DE SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO• NA ~ ND → Sc Compensado: Equivalente a 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)

UC3M 2009 9CCE - Sesión 7

La Unión p-n.

Resumen de Portadores y Corrientes

• CORRIENTES DE PORTADORES:• CORRIENTES DE PORTADORES:– Considerar tanto Mayoritarios como

Minoritarios – Considerar tanto Electrones como Huecos

• TIPOS DE CORRIENTES:– DE ARRASTRE: Por acción de un campo – DE ARRASTRE: Por acción de un campo

eléctrico (σ)– DE DIFUSIÓN: Compensa gradiente de

concentración

UC3M 2009 10CCE - Sesión 7

+p n-LA UNIÓN p-n en equilibrio

Zona de deplexión, vaciamiento o carga de espaci o (sin portadores libres)

0

+ -

0

x

Densidad de carga (ρρρρ)

x

Campo eléctrico (E)

Potencial (V)

UC3M 2009 11CCE - Sesión 7

x

Potencial (V)

Potencial de barrera o contacto ( Vγγγγ )

-+

LA UNIÓN pn en polarización directa

+ -

Vd)1( −= t

d

nV

v

Sd eIi

• Elimino la barrera de potencial• Sobre todo circulan mayoritarios por difusión (exp), también minoritarios.

+p n-id

LA UNIÓN pn en polarización inversa

+-

Vd

LA UNIÓN p-n

polarizada

+p n-

+-

id =-Is

UC3M 2009 12CCE - Sesión 7

-+ • Mayor barrera de potencial• Solo circulan minoritarios

p n

Ánodo Cátodo

-

id

v

Contactos métalicos

ESTRUCTURA

SÍMBOLO

EL DIODO DE UNIÓN

p-n

Directa

Ruptura

id

vd-Vruptura

)1( −= t

d

nV

v

Sd eIi

+ -vd

ENCAPSULADO

Ánodo Cátodo

CURVA CARACTERÍSTICA

q

KTV t =

Inversa

RupturaVγγγγ = 0.7V (en Si)

vd

-Is = Corriente inversa de saturación (muy pequeña)

0.5V

UC3M 2009 13CCE - Sesión 7

Diodos de unión y aplicaciones

OBJETIVOSOBJETIVOS• 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 diodosaplicarlos en el análisis de circuitos con diodos

• Conocer diferentes tipos de circuitos con diodos

UC3M 2009 14CCE - Sesión 7

Diodo Ideal

idA C

Circuito Equivalente

Aproximaciones curva característica

vD

Directa

(ON)

Inversa

(OFF)

A C

vd=0

id>0

A C

Circuito Equivalente

Cortocircuito

A C

UC3M 2009 15CCE - Sesión 7

A C

id=0

vd<0

Circuito Abierto

A CON A C

OFF A C

Ejemplo: Rectificador de ½ onda

t[ms]

v2(t)

V2p

10 20

f = 50Hz

T = 20ms

0

Tensión Secundario

-V2p

vO(t)

Vop=V2P

f = 50Hz

T = 20ms

0

D ON Tensión Salida

V2(t) > 0

V2(t) < 0

Vo(t) = V2(t)

Función de transferencia

t[ms]

vO

v2

UC3M 2009 16CCE - Sesión 7

10 200

D OFF

V2(t)>0 V2(t)<0

V2(t) < 0

D ON

D OFF

Vo(t) = 0

0

Equivalentes Circuitales del diodoAproximaciones curva característica

1ª Aproximación: Diodo Ideal

id Circuito Equivalente

id

Circuito Equivalente

A C

2ª Aproximación 3ª Aproximación

id

Circuito Equivalente

A Crd

vd

Directa

Inversa

A<

C

vd=0

id>0

Circuito Equivalente

vd

Directa

Inversa

Vγγγγ

vd=Vγγγγ

id>0

+ -Vγγγγ

Circuito Equivalente

vd

Directa

Inversa

Vγγγγ

vd=Vγγγγ+rd.id

id>0

A C

+ -Vγγγγ

Circuito Equivalente

1/rd

UC3M 2009 17CCE - Sesión 7

A C

id=0

vd<0

A C

id=0

vd<Vγγγγ

A C

id=0

vd<Vγγγγ

Equivalente

CIRCUITOS RECTIFICADORES

t[ms]

v2(t)

V2p f = 50Hz

T = 20ms

Tensión Secundario

-V2p

10 200

vO(t)

Vop=V2P- Vγγγγ

f = 50Hz

T = 20ms

D ON Tensión Salida

V2(t) > Vγγγγ

Vo(t) = V2(t) -Vγγγγ

Función de transferencia

vO

2ª Aproximación

UC3M 2009 18CCE - Sesión 7

10 200

D OFF

V2(t) < Vγγγγ

D ON

D OFF

Vo(t) = 0

Vγγγγ

t[ms] v2

V2(t) < VγγγγV2(t) > Vγγγγ

CIRCUITOS RECORTADORES

Vγγγγ

Vo

Función de transferencia

Vo = Vγγγγ

D ON

Vi > Vγγγγ

Vi < Vγγγγ

Vγγγγ

Vi

D OND OFF

Pendiente =1

Tensión Salidav

vi(t)

UC3M 2009 19CCE - Sesión 7

Vo = Vi

D OFF

i

t

Vγγγγ

vo(t)