Asignatura Electrónica

Asignatura Electrónica Tema 3: Diodo de unión PN

Tema 3:EL DIODO DE UNIÓN PN • Uniones PN. Diagrama de bandas de energía y potencial de contacto. • Ecuaciones de una unión PN abrupta en equilibrio térmico. • Característica I-V de un diodo PN: Caso ideal. • Fenómenos de segundo orden. Desviaciones de la característica ideal. • Cargas y Capacidades en un diodo PN. • Modelo de control de carga y transitorios ON-OFF. • Comportamiento en pequeña señal y circuito equivalente. • Modelos de SPICE para diodos PN.

Tema 3:EL DIODO DE UNIÓN PN • Descripción: • Se estudia la solución de las ecuaciones básicas de los semiconductores no homogéneos y con condiciones de contorno impuestas por la existencia de interfaces y contactos. • Se introducen las principales aproximaciones que nos permiten estudiar las uniones del semiconductor tipo P con el de tipo N en equilibrio térmico. • Se explica que las uniones p-n son muy importantes por su utilización en los dispositivos de microelectrónica modernos y porque sus principios de funcionamiento ayudan a entender otro tipos de dispositivos semiconductores.

Tema 3:EL DIODO DE UNIÓN PN • Descripción: • Es el primer tema del núcleo central de la asignatura: el dedicado a los dispositivos semiconductores. • Se comienza por el más simple: el diodo. Se analiza su estructura interna y su comportamiento en las diferentes regiones de operación que queda descrito mediante las curvas características. • Se estudia su funcionamiento en conmutación y distintos ejemplos de transitorios.

Tema 3:EL DIODO DE UNIÓN PN • Objetivos: • Conocer la formación y características de la unión P-N abrupta en equilibrio: potencial de contacto, condiciones de equilibrio y zonas de carga espacial. • Distinguir entre las distintas regiones físicas de la unión PN. • Caracterizar el comportamiento de los diodos a través de las curvas características. • Conocer los mecanismos de ruptura: ruptura Zener y por avalancha.

Tema 3:EL DIODO DE UNIÓN PN • Objetivos: • Encontrar la expresión matemática de las cargas en la región de transición y en las regiones neutras • Conocer los modelos de pequeña señal y gran señal del diodo. • Analizar el comportamiento del diodo en conmutación. Modelo de control de carga. • Conocer los diferentes modos de trabajo del diodo dependiendo de la señal y utilizar adecuadamente sus modelos.

Tema 3:EL DIODO DE UNIÓN PN • Bibliografía: • Básica: • [Neud89a], [Neud94a]: Referencias concretas y pormenorizadas para abordar, ampliar y matizar los apuntes del tema. • [Sing94], [Sing00], [Shur90], [Yang88], [Mull86], [Anto93]: Referencias más generales para ampliar y profundizar en los contenidos tanto teóricos como prácticos de la asignatura. Muchos ejemplos y problemas que pueden contribuir a aclarar conceptos, despertar el interés por la asignatura y estimular el esfuerzo personal del alumno. Estos libros aportan otra visión complementaria a los apuntes desarrollados de la asignatura, pero son básicos e importantes para su comprensión y estudio. • Complementaria: • [Bar93], [Stre90], [Sze81], [Sze01], [Sze06]: Referencias que ofrecen la posibilidad a los alumnos de abordar aspectos nuevos, que si bien no se tratan explícitamente en la asignatura, podrían resultarles útiles en otras materias de la licenciatura referidas a la rama de electrónica.

Si, tipo p Si, tipo n Estructura de la Unión PN: X (Punto donde Nd-Na es nulo)

Unión PN abrupta: Condiciones de Equilibrio Estudio Cualitativo de la Electrostática del Equilibrio gradiente de portadores Aproximaciones del estudio del Dispositivo integrado: 1) Estudio monodimensional 2) Unión Metalúrgica en X=0 3) Unión escalón desde NA hasta ND con regiones p y n dopadas uniformemente 4) Contactos Óhmicos perfectos, muy alejados de la unión metalúrgica.

Unión PN abrupta: Condiciones de Equilibrio Estudio Cualitativo de la Electroestática del Equilibrio • Equilibrio: Sin agentes externos: • sin tensión aplicada, • sin iluminación que incida sobre el dispositivo, • sin gradientes térmicos y • sin aplicación de campo eléctrico. gradiente de portadores

Unión PN abrupta: Condiciones de Equilibrio Estudio Cualitativo de la Electroestática del Equilibrio • Equilibrio: Sin agentes externos: • sin tensión aplicada, • sin iluminación que incida sobre el dispositivo, • sin gradientes térmicos y • sin aplicación de campo eléctrico. gradiente de portadores Si ponemos en contacto ambos tipos de semiconductores y aún no se ha alcanzado el equilibrio, se produce un gradiente en la concentración de h+ y e-, dando lugar a un proceso de difusión.

Unión PN abrupta: Condiciones de Equilibrio Estudio Cualitativo de la Electroestática del Equilibrio • Equilibrio: Sin agentes externos: • sin tensión aplicada, • sin iluminación que incida sobre el dispositivo, • sin gradientes térmicos y • sin aplicación de campo eléctrico. PROCESO DE DIFUSIÓN gradiente de portadores Los e- dellado n, inicialmente se difunden en el materialtipo p, donde la concentración de e- es baja Los h+ dellado p, inicialmente se difunden en el materialtipo n, donde la concentración de h+ es baja

Unión PN abrupta: Condiciones de Equilibrio Estudio Cualitativo de la Electroestática del Equilibrio • Equilibrio: Sin agentes externos: • sin tensión aplicada, • sin iluminación que incida sobre el dispositivo, • sin gradientes térmicos y • sin aplicación de campo eléctrico. PROCESO DE DIFUSIÓN gradiente de portadores Los e- dellado n, inicialmente se difunden en el materialtipo p, donde la concentración de e- es baja Los h+ dellado p, inicialmente se difunden en el materialtipo n, donde la concentración de h+ es baja Los e- que primero se irán son aquellos que están más cerca de la unión Los h+ que primero se irán son aquellos que están más cerca de la unión

Unión PN abrupta: Condiciones de Equilibrio Estudio Cualitativo de la Electroestática del Equilibrio • Equilibrio: Sin agentes externos: • sin tensión aplicada, • sin iluminación que incida sobre el dispositivo, • sin gradientes térmicos y • sin aplicación de campo eléctrico. PROCESO DE DIFUSIÓN gradiente de portadores Cada portador se mueve dejando tras de sí un ión inmóvil en la red cristalina de polaridad opuesta a la suya

Unión PN abrupta: Condiciones de Equilibrio Estudio Cualitativo de la Electroestática del Equilibrio • Equilibrio: Sin agentes externos: • sin tensión aplicada, • sin iluminación que incida sobre el dispositivo, • sin gradientes térmicos y • sin aplicación de campo eléctrico. PROCESO DE DIFUSIÓN gradiente de portadores Aparece una región de impurezas negativas no compensadas a la izquierda y una región de impurezas positivas no compensadas a la derecha

Unión PN abrupta: Condiciones de Equilibrio Estudio Cualitativo de la Electroestática del Equilibrio • Equilibrio: Sin agentes externos: • sin tensión aplicada, • sin iluminación que incida sobre el dispositivo, • sin gradientes térmicos y • sin aplicación de campo eléctrico. PROCESO DE DIFUSIÓN gradiente de portadores En resumen: el resultado de la difusión es una región virtualmente vacía de portadores móviles

Unión PN abrupta: Condiciones de Equilibrio Estudio Cualitativo de la Electroestática del Equilibrio gradiente de portadores

Unión PN abrupta: Distribución de Portadores Situación Inicial: Si las partes están infinitamente alejadas ya hemos estudiado sus características en equilibrio tipo n tipo p Nivel de Fermi por encima del Nivel de Fermi Intrínseco Nivel de Fermi por debajo del Nivel de Fermi Intrínseco

Unión PN abrupta: Distribución de Portadores Situación Inicial: Si las partes están infinitamente alejadas ya hemos estudiado sus características en equilibrio tipo n tipo p Nivel de Fermi por encima del Nivel de Fermi Intrínseco Nivel de Fermi por debajo del Nivel de Fermi Intrínseco Discontinuidad en el dopado

Unión PN abrupta: Distribución de Portadores Zona donde apenas hay portadores libres

Unión PN abrupta: Potencial de Contacto En la zona de transición se produce un curvamiento de las Bandas de Energía ya que existe un Campo Eléctrico Zona de Transición El Potencial de Contacto, Vbi, de una medida de ese curvamiento de las Bandas qVbi Ef Tipo n Tipo p x • Campo eléctrico que se opone a la difusión. • Se crea en la zona de transición debido a los iones inmóviles no compensados

Unión PN abrupta: Potencial de Contacto

Unión PN abrupta: Región de Transición

Unión PN abrupta: Región de Transición • Densidad de Carga, r=q(Nd-Na+p-n): • Fuera de la región de transición neutralidad de cargas (zonas masivas uniformemente dopadas en equilibrio):r=0. • Dentro de la región de transición: • r=q(Nd+p-n) 0<x<xn • r=q(-Na+p-n) -xp<x<0 • Aproximación de empobrecimiento: dentro de la región de transición no hay portadores sólo impurezas ionizadas (|p-n|<<|Nd-Na|) • Entonces: • r=qNd 0<x<xn • r=-qNa -xp<x<0

Q+=qAxnND + - Q-=qAxpNA Unión PN abrupta: Región de Transición • Densidad de Carga, r=q(Nd-Na+p-n): • Fuera de la región de transición neutralidad de cargas (zonas masivas uniformemente dopadas en equilibrio):r=0. • Dentro de la región de transición: • r=q(Nd+p-n) 0<x<xn • r=q(-Na+p-n) -xp<x<0 • Aproximación de empobrecimiento: dentro de la región de transición no hay portadores sólo impurezas ionizadas (|p-n|<<|Nd-Na|) • Entonces: • r=qNd 0<x<xn • r=-qNa -xp<x<0

Unión PN abrupta: Región de Transición • En la región de transición se cumple: • Q+=Q- ====>Naxp=Ndxn • Teorema de Gauss: Campo eléctrico: • Extremos de la región de transición: • Campo eléctrico máximo en la unión metalúrgica • Integramos el campo: Potencial Neutralidad

Unión PN abrupta: Región de Transición • Podemos calcular otra expresión de Vbi: • Con la condición de neutralidad de carga en la región de transición (Naxp=Ndxn) y con Vbi podemos encontrar una expresión de la anchura de la región transición:

Unión PN abrupta: Región de Transición • Podemos calcular otra expresión de Vbi: • Con la condición de neutralidad de carga en la región de transición (Naxp=Ndxn) y con Vbi podemos encontrar una expresión de la anchura de la región transición: Problema Propuesto: Suponiendo que en un semiconductor estamos en equilibrio térmico a) Demuestre que el campo eléctrico y la diferencia de potencial entre dos puntos del material vienen dadas por las expresiones mostradas a continuación:

Unión PN abrupta: Región de Transición • Podemos calcular otra expresión de Vbi: • Con la condición de neutralidad de carga en la región de transición (Naxp=Ndxn) y con Vbi podemos encontrar una expresión de la anchura de la región transición: Problema Propuesto: b) Utilice dicho resultado para obtener p(x) y n(x) en la región de transición. p(x) n(x)

Unión PN abrupta: Campo Externo Contactos ideales

Polarización Directa (V=Vf) Polarización Inversa (V=-Vr) Equilibrio (V=0) (1) Difusión de Huecos (2)Arrastre de Huecos (3) Difusión de Electrones (4)Arrastre de Electrones Flujo de partículas Flujo de partículas Corriente Corriente Flujo de partículas Corriente Arrastre > Difusión Arrastre < Difusión Arrastre =Difusión Unión PN abrupta: Campo Externo

Diodo de Unión: Característica I-V (I) Análisis Cualitativo: Unión PN polarizada en directa (V>0, V<Vbi): • predominan las corrientes de difusiónde frente al arrastre. • inyección de portadores desde la región donde son mayoritarios hasta la otra. • I>0 y I altas incluso para valores no muy altos de V. • además la inyección de mayoritarios esmayor a mayor dopado. I

Diodo de Unión: Característica I-V (I) Análisis Cualitativo: Unión PN polarizada en inversa (V<0): • predominan las corriente de arrastre frente a la difusión. • El campo eléctrico arrastra a los minoritarios de ambos lados. el número de minoritarios es limitado. • I<0 y muy pequeñas. I

Diodo de Unión: Característica I-V (II) Objetivo: deducir una relación de primer orden para I=f(V) en la unión • Para obtener la característica I-V habría que resolver la ecuación de continuidad en cada región de la unión: • región neutra p • región neutra n • región de transición suponemos V=cte

Diodo de Unión: Característica I-V (II) Objetivo: deducir una relación de primer orden para I=f(V) en la unión Vj + - • Para obtener la característica I-V habría que resolver la ecuación de continuidad en cada región de la unión: • región neutra p • región neutra n • región de transición suponemos V=cte Aproximaciones de partida:

Diodo de Unión: Característica I-V (II) Objetivo: deducir una relación de primer orden para I=f(V) en la unión Vj + - • Para obtener la característica I-V habría que resolver la ecuación de continuidad en cada región de la unión: • región masiva p • región masiva n • región de transición suponemos V=cte Aproximaciones de partida: Vj= f(xn)-f(xp)=Vbi-V Caída de potencial en la región de transición: despreciamos caídas óhmicas en las regiones neutras y en los contactos

Diodo de Unión: Característica I-V (II) Objetivo: deducir una relación de primer orden para I=f(V) en la unión Vj + - • Para obtener la característica I-V habría que resolver la ecuación de continuidad en cada región de la unión: • región masiva p • región masiva n • región de transición suponemos V=cte Aproximaciones de partida: Vj= f(xn)-f(xp)=Vbi-V U=pn´/tp U=np´/tn

Diodo de Unión: Característica I-V (II) Objetivo: deducir una relación de primer orden para I=f(V) en la unión Vj + - • Para obtener la característica I-V habría que resolver la ecuación de continuidad en cada región de la unión: • región masiva p • región masiva n • región de transición suponemos V=cte Aproximaciones de partida: Vj= f(xn)-f(xp)=Vbi-V densidades de corrientes permanecen constante x(x)=xequilibrio arrastre~difusión desbalance de las densidades de corriente es pequeño

Diodo de Unión: Característica I-V (III) X Α jT(x)= jp(x)+jn(x)= jp(xn)+jn(-xp) Estado Estacionario jn(-xp) jp(xn) -xp x xn Región Transición U=0

Diodo de Unión: Característica I-V (III) X Α • Resolvemos la concentraciones de portadores minoritarios en las regiones neutras porque podemos despreciar las corrientes de arrastre y simplificar el estudio. • Se busca una solución de corriente continua, en estado estacionario, es decir, todos los términos en d/dt en las ecuaciones de continuidad son nulos. • Con estas hipótesis...

Diodo de Unión: Característica I-V (III) X Α

Diodo de Unión: Característica I-V (III) X Α Condiciones de contorno: 1) Contacto Ideal: 2)

Diodo de Unión: Característica I-V (III) X Α

Diodo de Unión: Característica I-V (IV)

Diodo de Unión: Característica I-V (IV) Lp Lp=distancia dentro de la región masiva en la cual los portadores en exceso han caído el 37% de su valor respecto al borde de la región de transición

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