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 UC3M 2009 CCE - Sesión 7 2 Introducción a la Teoría de Semiconductores Teoría de Bandas Conductor Semiconductor E Aislante E E BC BC Eo BV UC3M 2009 BC Eo GAP BV CCE - Sesión 7 Eo BV 3 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 UC3M 2009 CCE - Sesión 7 4 Semiconductores Intrínsecos (Si) - - - +4 - T=0ºK (Equilibrio Térmico) - - +4 - - +4 - Enlace covalente - - +4 - - - +4 - - +4 - +4 - UC3M 2009 - - - - +4 - - - - - +4 - +4 - - T > 0ºK - - +4 electrón libre (e-) + - +4 Enlace covalente roto - CCE - Sesión 7 hueco libre (h+) 5 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 UC3M 2009 CCE - Sesión 7 6 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 - UC3M 2009 - - - +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 - UC3M 2009 - - +4 - + - - +3 - - CCE - Sesión 7 ni2(T) = n·p p > n (extrínseco tipo p) h+ : portadores mayoritarios e- : portadores minoritarios 8 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) UC3M 2009 CCE - Sesión 7 9 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 UC3M 2009 CCE - Sesión 7 10 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 UC3M 2009 CCE - Sesión 7 Vγ ) 11 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 UC3M 2009 + -+ - n CCE - Sesión 7 • Mayor barrera de potencial • Solo circulan minoritarios id =-Is 12 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) UC3M 2009 CCE - Sesión 7 13 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 UC3M 2009 CCE - Sesión 7 14 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 UC3M 2009 C C C OFF CCE - Sesión 7 A A C 15 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 UC3M 2009 Función de transferencia Tensión Salida D ON D ON D OFF V2(t)>0 V2(t)<0 CCE - Sesión 7 v2 0 16 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 CCE - Sesión 7 - vd=Vγγ+rd.id id>0 vd C A + Vγγ Directa id>0 UC3M 2009 rd 1/rd Vγγ vd=0 Circuito Equivalente vd id>0 17 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 UC3M 2009 Función de transferencia Tensión Salida D ON D ON V2(t) > Vγγ CCE - Sesión 7 v2 Vγ D OFF V2(t) < Vγγ 18 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) UC3M 2009 CCE - Sesión 7 19