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Tema 11Semiconductores. El diodo.

11.1. Semiconductores.11.2. La conducción eléctrica en semiconductores.11.3. Diodos de unión p-n.11.4. Diodos Zener.11.5. Diodos foto-emisores.11.6 Otros diodos.

Fundamentos Físicos de la Informática – Curso Académico 2007-2008 Prof. Paula López Martínez

Perspectiva histórica

Microprocesador 90s(5~25 millones de transistores)

Transistor, 60s

10 Centavos


El primer transistor (Bell Telephone Laboratories, 1947)


El primer circuito integrado (Texas Instruments, 1958)


Circuitos integrados actuales


Fabricación de un circuito integrado

Substrato de Si

drain

Substrato de Si

Capa superior protectora

Capa Metal

Capas de Aislante

Otras capas conductoras

Conductor


Fabricación de un circuito integrado


Modelo atómico de Rutherford

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Electrón

Núcleo

V(r) = K/r2

rr

Modelo atómico heliocéntrico de Rutherford Pozo de potencial asociado

• Modelo clásico electrostático• No explica la naturaleza onda-partícula de las partículas


Modelo cuántico

• Explica: – El principio de incertidumbre (Heisenberg).– El principio de exclusión (Pauli).– La teoría sobre la dualidad onda-partícula (De Broglie).

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ttx

jtxxV

xtx

m ∂∂

−=+∂

∂−

),(),()(),(2 2

2 ψψψ hh

Ecuación de Schrödinger:


Ecuación de Schrödinger

• Explica la interacción de una onda-partícula cargada con el potencial eléctrico que la rodea.

• Describe con claridad las zonas de confinamiento (dónde la onda-partícula estaría localizable), de exclusión, y los procesos de transferencia de energía que se producen en un cambio de estado.

• Representa al electrón como una función de onda distribuida en el tiempo y en el espacio, .),( tr

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ψ


Modelo atómico de Bohr: Orbitales

CONFIGURACIONES ELECTRONICAS Z = 1 Hidrógeno H: 1s1

Z = 2 Helio He: 1s2

Z = 3 Litio Li: 1s22s1

Z = 4 Berilio Be: 1s22s2

Z = 5 Boro B: 1s22s22p1

Z = 6 Carbono C: 1s22s22p2

Z = 7 Nitrógeno N: 1s22s22p3

Z = 8 Oxígeno O: 1s22s22p4

Z = 9 Flúor F: 1s22s22p5

Z = 10 Neón Ne: 1s22s22p6

Z = 11 Sodio Na: 1s22s22p63s1

Z = 12 Magnesio Mg: 1s22s22p63s2

Z = 13 Aluminio Al: 1s22s22p63s23p1

Z = 14 Silicio Si: 1s22s22p63s23p2

etc ....12


Estructura cristalina del Si puro

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Semiconductores

• Conductividad: facilidad conducción eléctrica– Metal: Alta conductividad. Electrones libres. Sin aporte de

energía.– Aislante: Baja conductividad. Necesario un aporte de

energía elevado para liberar un electrón.– Semiconductor: Conductividad variable en órdenes de

magnitud. Aporte energético reducido.• Control de conductividad – Fundamento de los dispositivos

electrónicos; semiconductores como elementos de control corriente/voltaje

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Tipos de semiconductores


Tipos de semiconductores

– Elementos: Si, Ge– Compuestos III-V: AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs,

GaSb, InP, InAs, InSb– Compuestos II-VI: ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe,

CdTe, HgS– Aleaciones

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Propiedades de los SC

• Portadores– Electrones: Electrones en banda de conducción.– Huecos: Estados vacíos en banda de valencia.

• Niveles Energéticos– EC: Energía de la banda de conducción.– EV: Energía de la banda de valencia.– Eg = EC – EV: Gap energía o band-gap.

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Propiedades de los SC

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SC intrínseco

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– Número de electrones en banda conducción igual a número de huecos en banda valencia

– Concentración de portadores intrínseca ni – número de electrones por centrímetro cúbico en banda de conducción (igual a número de huecos en banda de valencia)

– ni=f(T), aumenta con la temperatura (mayor energía térmica)

A Temperatura Ambiente (T=300 K)


SC extrínseco

• Material Extrínseco- dopado– Tipo n - átomos tipo fósforo (V), donador (de e- ). – Tipo p- átomos tipo boro (III), aceptor (de e- , genera

hueco).

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SC extrínseco tipo n

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N-type donors



Modelo de bandas de energía:

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Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith

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Figure 3.43 A silicon crystal doped by a pentavalent element. Each dopant atom donates a free electron and is thus called a donor. The doped semiconductor becomes n type.



SC extrínseco tipo p

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P-type donors



Modelo de bandas de energía:

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Figure 3.44 A silicon crystal doped with a trivalent impurity. Each dopant atom gives rise to a hole, and the semiconductor becomes p type.



SC en equilibrio térmico

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( )

( )

2

/

/

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i

kTEEi

kTEEi

CFV

nnp

enp

enn

kTEEkTE

Fi

iF

=

⇓

=

=

−≤≤+

−

−

Ley de acción de masas


La conducción eléctrica en SC

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scmDD

nqDJ

pqDJ

PN

NdifN

PdifP

/, 2

|

|

a

rr

rr

∇=

∇−=

• Corriente de difusión: Movimiento de partículas como resultado de su cambio de posición espacial.



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• Corriente de arrastre: Movimiento de partículas como resultado de la aplicación de un campo eléctrico.

( )

EqJEqJ

EvEv

AIJ

vnvpqAIII

narrastreNparrastreP

ndnpdp

arrastrearrastre

dndpNParrastre

μμ

μμ

==⇓

−==

=

+=+=

|| ,

,

/rrrr

rr

rrrrr



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NPTot

NnN

PpP

JJJ

nqDEnqJ

pqDEpqJ

rrr

rrr

rrr

+=

∇+=

∇−=

μ

μ

• Corriente total en un SC:



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Figure 3.39 Simplified physical structure of the junction diode. (Actual geometries are given in Appendix A.)

El diodo de unión pn



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El diodo de unión pn en equilibrio

Figure 3.45 (a) The pn junction with no applied voltage (open-circuited terminals). (b) The potential distribution along an axis perpendicular to the junction.



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Figure 3.49 The pn junction excited by a constant-current source supplying a current I in the forward direction. The depletion layer narrows and the barrier voltage decreases by V volts, which appears as an external voltage in the forward direction.

Diodos de unión pn polarizados



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Figure 3.1 The ideal diode: (a) diode circuit symbol; (b) i–v characteristic; (c) equivalent circuit in the reverse direction; (d) equivalent circuit in the forward direction.

Polarización directa e inversa de un diodo pn



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Figure 3.2 The two modes of operation of ideal diodes and the use of an external circuit to limit the forward current (a) and the reverse voltage (b).

Polarización directa e inversa de un diodo pn



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Figure 3.3 (a) Rectifier circuit. (b) Input waveform. (c) Equivalent circuit when vI ≥ 0. (d) Equivalent circuit when vI 0. (e) Output waveform.

Aplicaciones de los diodos de unión pn: Rectificador de ondas



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Figure 3.8 The diode i–v relationship with some scales expanded and others compressed in order to reveal details.

Curva característica de los diodos de unión pn



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Figure 3.17 Development of the diode small-signal model. Note that the numerical values shown are for a diode with n = 2.

Recta de carga



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Table 3.1 Modeling the Diode

Forward Characteristic

Modelos aproximados del diodo



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Table 3.1 (Continued)

Modelos aproximados del diodo



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Figure 3.20 Circuit symbol for a zener diode.

Diodo zener



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Figure 3.21 The diode i–v characteristic with the breakdown region shown in some detail.

Curva característica de un diodo zener



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Figure 3.22 Model for the zener diode.

Modelo equivalente de diodo zener


44Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith

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Figure 3.3 (a) Rectifier circuit. (b) Input waveform. (c) Equivalent circuit when vI ≥ 0. (d) Equivalent circuit when vI 0. (e) Output waveform.

Aplicaciones: Rectificador



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Figure 3.25 (a) Half-wave rectifier. (b) Equivalent circuit of the half-wave rectifier with the diode replaced with its battery-plus-resistance model. (c) Transfer characteristic of the rectifier circuit. (d) Input and output waveforms, assuming that rD ! R.

Aplicaciones: Rectificador de media onda



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Figure 3.26 Full-wave rectifier utilizing a transformer with a center-tapped secondary winding: (a) circuit; (b)transfer characteristic assuming a constant-voltage-drop model for the diodes; (c) input and output waveforms.

Aplicaciones: Rectificador de onda completa


47Microelectronic Circuits - Fifth Edition S d /S ith

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Figure 3.27 The bridge rectifier: (a) circuit; (b) input and output waveforms.

Aplicaciones: Rectificador con puente de diodos



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Figure 3.29 Voltage and current waveforms in the peak rectifier circuit with CR @ T. The diode is assumed ideal.

Aplicación: Rectificación y filtrado



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Figure 3.24 Block diagram of a dc power supply.

Aplicación: Construcción de una fuente de alimentación

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