Asignatura Electrónica Tema 3: Diodo de unión PN.

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1 Asignatura Electrónica Tema 3: Diodo de unión PN

2 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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.

3 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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.

4 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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.

5 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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.

6 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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.

7 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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.

8 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Estructura de la Unión PN: Si, tipo p Si, tipo n (Punto donde Nd-Na es nulo) X

9 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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 N A hasta N D con regiones p y n dopadas uniformemente 4) Contactos Óhmicos perfectos, muy alejados de la unión metalúrgica.

10 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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

11 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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.

12 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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 Los h+ del lado p, inicialmente se difunden en el material tipo n, donde la concentración de h+ es baja Los e- del lado n, inicialmente se difunden en el material tipo p, donde la concentración de e- es baja PROCESO DE DIFUSIÓN

13 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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 Los h+ del lado p, inicialmente se difunden en el material tipo n, donde la concentración de h+ es baja Los e- del lado n, inicialmente se difunden en el material tipo p, donde la concentración de e- es baja Los h+ que primero se irán son aquellos que están más cerca de la unión Los e- que primero se irán son aquellos que están más cerca de la unión PROCESO DE DIFUSIÓN

14 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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 Cada portador se mueve dejando tras de sí un ión inmóvil en la red cristalina de polaridad opuesta a la suya PROCESO DE DIFUSIÓN

15 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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 Aparece una región de impurezas negativas no compensadas a la izquierda y una región de impurezas positivas no compensadas a la derecha PROCESO DE DIFUSIÓN

16 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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 En resumen: el resultado de la difusión es una región virtualmente vacía de portadores móviles PROCESO DE DIFUSIÓN

17 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Condiciones de Equilibrio Estudio Cualitativo de la Electroestática del Equilibrio gradiente de portadores

18 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Distribución de Portadores Situación Inicial: Si las partes están infinitamente alejadas ya hemos estudiado sus características en equilibrio tipo p Nivel de Fermi por debajo del Nivel de Fermi Intrínseco tipo n Nivel de Fermi por encima del Nivel de Fermi Intrínseco

19 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Distribución de Portadores Situación Inicial: Si las partes están infinitamente alejadas ya hemos estudiado sus características en equilibrio tipo p Nivel de Fermi por debajo del Nivel de Fermi Intrínseco tipo n Nivel de Fermi por encima del Nivel de Fermi Intrínseco Discontinuidad en el dopado

20 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Distribución de Portadores Zona donde apenas hay portadores libres

21 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Potencial de Contacto Campo eléctrico que se opone a la difusión. Se crea en la zona de transición debido a los iones inmóviles no compensados Zona de Transición qVbi Tipo n Tipo p  En la zona de transición se produce un curvamiento de las Bandas de Energía ya que existe un Campo Eléctrico El Potencial de Contacto, Vbi, de una medida de ese curvamiento de las Bandas EfEf

22 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Potencial de Contacto

23 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Región de Transición

24 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Región de Transición Densidad de Carga,  =q(Nd-Na+p-n): Fuera de la región de transición neutralidad de cargas (zonas masivas uniformemente dopadas en equilibrio):  =0. Dentro de la región de transición:  =q(Nd+p-n)0<x<xn  =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:  =qNd0<x<xn  =-qNa-xp<x<0

25 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Región de Transición Densidad de Carga,  =q(Nd-Na+p-n): Fuera de la región de transición neutralidad de cargas (zonas masivas uniformemente dopadas en equilibrio):  =0. Dentro de la región de transición:  =q(Nd+p-n)0<x<xn  =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:  =qNd0<x<xn  =-qNa-xp<x<0

26 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Región de Transición Densidad de Carga,  =q(Nd-Na+p-n): Fuera de la región de transición neutralidad de cargas (zonas masivas uniformemente dopadas en equilibrio):  =0. Dentro de la región de transición:  =q(Nd+p-n)0<x<x n  =q(-Na+p-n)-x p <x<0 Aproximación de empobrecimiento: dentro de la región de transición no hay portadores sólo impurezas ionizadas (|p-n|<<|Nd-Na|) Entonces:  =qNd0<x<xn  =-qNa-xp<x<0

27 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Región de Transición Densidad de Carga,  =q(Nd-Na+p-n): Fuera de la región de transición neutralidad de cargas (zonas masivas uniformemente dopadas en equilibrio):  =0. Dentro de la región de transición:  =q(Nd+p-n)0<x<xn  =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:  =qNd0<x<xn  =-qNa-xp<x<0

28 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Región de Transición Densidad de Carga,  =q(Nd-Na+p-n): Fuera de la región de transición neutralidad de cargas (zonas masivas uniformemente dopadas en equilibrio):  =0. Dentro de la región de transición:  =q(Nd+p-n)0<x<xn  =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:  =qNd0<x<x n  =-qNa-x p <x<0 + Q + =qAx n N D Q - =qAx p N A -

29 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 En la región de transición se cumple: Q + =Q - ====> N a x p =N d x n Teorema de Gauss: Campo eléctrico: Extremos de la región de transición: Campo eléctrico máximo en la unión metalúrgica Integramos el campo: Potencial Unión PN abrupta: Región de Transición Neutralidad

30 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Podemos calcular otra expresión de Vbi: Con la condición de neutralidad de carga en la región de transición (N a x p =N d x n ) y con Vbi podemos encontrar una expresión de la anchura de la región transición: Unión PN abrupta: Región de Transición

31 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Podemos calcular otra expresión de Vbi: Con la condición de neutralidad de carga en la región de transición (N a x p =N d x n ) y con Vbi podemos encontrar una expresión de la anchura de la región transición: Unión PN abrupta: Región de 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:

32 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Podemos calcular otra expresión de Vbi: Con la condición de neutralidad de carga en la región de transición (N a x p =N d x n ) y con Vbi podemos encontrar una expresión de la anchura de la región transición: Unión PN abrupta: Región de Transición Problema Propuesto: b) Utilice dicho resultado para obtener p(x) y n(x) en la región de transición. p(x) n(x)

33 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Campo Externo Contactos ideales

34 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Unión PN abrupta: Campo Externo (1) Difusión de Huecos (2) Arrastre de Huecos (3) Difusión de Electrones (4) Arrastre de Electrones Equilibrio (V=0) Flujo de partículas Corriente Flujo de partículas Corriente Flujo de partículas Corriente Polarización Directa (V=Vf) Polarización Inversa (V=-Vr) Arrastre =Difusión Arrastre < Difusión Arrastre > Difusión

35 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (I) Unión PN polarizada en directa (V>0, V<Vbi): predominan las corrientes de difusión de 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 es mayor a mayor dopado. I Análisis Cualitativo:

36 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (I) Unión PN polarizada en inversa (V<0): Análisis Cualitativo: 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

37 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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

38 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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 Aproximaciones de partida: Vj + -

39 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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 masiva p región masiva n región de transición suponemos V=cte Aproximaciones de partida: Caída de potencial en la región de transición: despreciamos caídas óhmicas en las regiones neutras y en los contactos V j =  (x n )-  (x p )=V bi -V Vj + -

40 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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 masiva p región masiva n región de transición suponemos V=cte Aproximaciones de partida: U=p n ´/  p U=n p ´/  n V j =  (x n )-  (x p )=V bi -V Vj + -

41 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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 masiva p región masiva n región de transición suponemos V=cte Aproximaciones de partida: densidades de corrientes permanecen constante arrastre~difusión V j =  (x n )-  (x p )=V bi -V Vj + -  (x)=  equilibrio desbalance de las densidades de corriente es pequeño

42 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (III) X Α -xp-xp Región Transición U=0 j T (x)= j p (x)+j n (x)= j p (x n )+j n (-x p ) Estado Estacionario j p (x n ) j n (-x p ) x xnxn

43 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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...

44 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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...

45 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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...

46 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (III) X Α

47 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (III) X Α Condiciones de contorno: 1) Contacto Ideal: 2)

48 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (III) X Α

49 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (IV)

50 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 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

51 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (IV) Diodo de Base Larga Ejercicio propuesto: Derivar las densidades de corriente para diodos de Base Corta

52 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (V) V>0 y diodo de Base Larga portadores minoritarios V<0 y diodo de Base Larga

53 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (VI) altas y positivas minoritarios mayoritarios minoritarios pequeñas y negativas mayoritarios minoritarios mayoritarios Las corrientes de mayoritarios se obtienen restando de la total la de minoritarios

54 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (VII)

55 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (VIII) Característica I-V Ideal (Shockley) Intensidad Inversa de saturación: Caso genérico Valores típicos de I o Diodo largo Diodo Corto Silicio: 10 -16 A ----- 10 -13 A Germanio: 10 -10 A ------- 10 -7 A

56 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (VI) VV Ecuación Shockley Polarización Inversa (V<0) Polarización Directa (V>0) VV I V Diodo "Ideal" Polarización Inversa Polarización Directa Símbolo del diodo tipo p tipo n I=0 si V<V  V=V , I>0 !NO CONFUNDIR! Aproximación lineal a tramos I ref

57 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Diodo de Unión: Característica I-V (VI) Funcionamiento de la Unión pn para distintas polarizaciones:

58 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Efectos de Segundo Orden (I) Generación/recombinación en la región de transición: En general, hace que la dependencia sea Io no se mantiene constante, crece con V inversa. Más acusada en Silicio. con 1<n<2.

59 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Efectos de Segundo Orden (II) Alta inyección de portadores para tensiones directas elevadas: Corrección a la baja para tensiones directas muy altas Teníamos la aproximación de bajo nivel de inyección en las regiones neutras: Pero si V>>0: En este caso la intensidad seguirá una ley análoga pero: Normalmente se da el valor de la corriente donde comienza la alta inyección:

60 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Caídas óhmicas en las regiones neutras: se modela con una resistencia muy baja (~ pocos Ω) ahora el nuevo potencial de la unión es Efectos de Segundo Orden (III) Caída óhmica zona P Caída óhmica zona N Empieza a tener influencia para I grandes

61 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Efectos de Segundo Orden (IV) FENÓMENOS DE RUPTURA: Se producen para V negativas y altas Dos mecanismos causantes: (a) avalancha (portadores acelerados) : ocurre en cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el origen es muy alto el campo eléctrico acelera a los electrones. estos electrones chocan con la red cristalina, con los enlaces covalentes. choca el electrón y rebota, pero a V Ruptura la velocidad de este es muy grande y, por ello, su energía cinética es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. el electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. en conclusión, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres. estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha. La intensidad del dispositivo ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande.

62 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Efectos de Segundo Orden (IV) FENÓMENOS DE RUPTURA: Se producen para V negativas y altas Dos mecanismos causantes: (a) avalancha (portadores acelerados) : ocurre en cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el origen es muy alto el campo eléctrico acelera a los electrones. estos electrones chocan con la red cristalina, con los enlaces covalentes. choca el electrón y rebota, pero a V Ruptura la velocidad de este es muy grande y, por ello, su energía cinética es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. el electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. en conclusión, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres. estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha. La intensidad del dispositivo ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande.

63 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Efectos de Segundo Orden (I) FENÓMENOS DE RUPTURA: Se producen para V negativas y altas Dos mecanismos causantes: (a) avalancha (portadores acelerados) : ocurre en cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el origen es muy alto el campo eléctrico acelera a los electrones. estos electrones chocan con la red cristalina, con los enlaces covalentes. choca el electrón y rebota, pero a V Ruptura la velocidad de este es muy grande y, por ello, su energía cinética es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. el electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. en conclusión, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres. estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha. La intensidad del dispositivo ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande.

64 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Efectos de Segundo Orden (IV) FENÓMENOS DE RUPTURA: Se producen para V negativas y altas Dos mecanismos causantes: (a) avalancha (portadores acelerados) : ocurre en cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el origen es muy alto el campo eléctrico acelera a los electrones. estos electrones chocan con la red cristalina, con los enlaces covalentes. choca el electrón y rebota, pero a V Ruptura la velocidad de este es muy grande y, por ello, su energía cinética es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. el electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. en conclusión, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres. estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha. La intensidad del dispositivo ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande.

65 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Efectos de Segundo Orden (IV) FENÓMENOS DE RUPTURA: Se producen para V negativas y altas Dos mecanismos causantes: (a) avalancha (portadores acelerados) : ocurre en cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el origen es muy alto el campo eléctrico acelera a los electrones. estos electrones chocan con la red cristalina, con los enlaces covalentes. choca el electrón y rebota, pero a V Ruptura la velocidad de este es muy grande y, por ello, su energía cinética es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. el electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. en conclusión, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres. estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha. La intensidad del dispositivo ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande.

66 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Efectos de Segundo Orden (IV) FENÓMENOS DE RUPTURA: Se producen para V negativas y altas Dos mecanismos causantes: (a) avalancha (portadores acelerados) : ocurre en cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el origen es muy alto el campo eléctrico acelera a los electrones. estos electrones chocan con la red cristalina, con los enlaces covalentes. choca el electrón y rebota, pero a V Ruptura la velocidad de este es muy grande y, por ello, su energía cinética es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. el electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. en conclusión, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres. estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha. La intensidad del dispositivo ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande.

67 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Efectos de Segundo Orden (IV) FENÓMENOS DE RUPTURA: Se producen para V negativas y altas Dos mecanismos causantes: (a) avalancha (portadores acelerados) : ocurre en cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el origen es muy alto el campo eléctrico acelera a los electrones. estos electrones chocan con la red cristalina, con los enlaces covalentes. choca el electrón y rebota, pero a V Ruptura la velocidad de este es muy grande y, por ello, su energía cinética es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. el electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. en conclusión, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres. estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha. La intensidad del dispositivo ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande.

68 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Efectos de Segundo Orden (IV) FENÓMENOS DE RUPTURA: Se producen para V negativas y altas Dos mecanismos causantes: (a) avalancha (portadores acelerados) : ocurre en cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el origen es muy alto el campo eléctrico acelera a los electrones. estos electrones chocan con la red cristalina, con los enlaces covalentes. choca el electrón y rebota, pero a V Ruptura la velocidad de este es muy grande y, por ello, su energía cinética es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. el electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. en conclusión, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres. estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha. La intensidad del dispositivo ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande.

69 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Efectos de Segundo Orden (IV) FENÓMENOS DE RUPTURA: Se producen para V negativas y altas Dos mecanismos causantes: (a) avalancha (portadores acelerados) : ocurre en cualquier diodo cuando el campo eléctrico en el origen es muy alto el campo eléctrico acelera a los electrones. estos electrones chocan con la red cristalina, con los enlaces covalentes. choca el electrón y rebota, pero a V Ruptura la velocidad de este es muy grande y, por ello, su energía cinética es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. el electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. en conclusión, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres. estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha. La intensidad del dispositivo ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande.

70 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Efectos de Segundo Orden (V) FENÓMENOS DE RUPTURA: Se producen para V negativas y altas Dos mecanismos causantes: (b) efecto zener: ocurre en diodos fuertemente dopados en ambos lados de la unión metalúrgica Ef está muy cerca de EC y EV y se reduce la anchura de la barrera de potencial tanto como para permitir el paso de e- de la BV de la parte P a la BC de la parte N La intensidad del dispositivo ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande.

71 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Zener Inversa Directa Efectos de Segundo Orden (V) FENÓMENOS DE RUPTURA: Se producen para V negativas y altas Dos mecanismos causantes: (b) efecto zener: ocurre en diodos fuertemente dopados en ambos lados de la unión metalúrgica Ef está muy cerca de EC y EV y se reduce la anchura de la barrera de potencial tanto como para permitir el paso de e- de la BV de la parte P a la BC de la parte N La intensidad del dispositivo ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande. efecto túnel e-e- - Diodo Zener VZVZ + IZIZ rampa = 1/r z Usamos una aproximación de la característica mediante una recta de pendiente 1/r z I ZK : intensidad a partir de la cual el diodo empieza a comportarse como diodo Zener

72 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Cargas en la Región de Transición: Capacidad de Unión Capacidad de Unión: asociamos una capacidad a variaciones incrementales de las cargas en la región de transición con variaciones de tensión

73 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Cargas en la Región de Transición: Capacidad de Unión Capacidad de Unión: asociamos una capacidad a variaciones incrementales de las cargas en la región de transición con variaciones de tensión Variaciones en V implican variaciones en Qj => efecto condensador Carga incremental respecto al equilibrio:

74 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Cargas en la Región de Transición: Capacidad de Unión Capacidad de Unión: asociamos una capacidad a variaciones incrementales de las cargas en la región de transición con variaciones de tensión Carga incremental respecto al equilibrio:

75 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Cargas en las Regiones Neutras: Capacidad de Difusión Base Larga n p (x) p n (x) Base corta ¡ Q p y Q n no son iguales !

76 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Cargas en las Regiones Neutras: Capacidad de Difusión Supongamos Base Larga y Zona N: vida media de portadores minoritarios Existe una relación entre Q p y j p (x n ) Análogamente, existe una relación entre Q n y j n (-x p )

77 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Cargas en las Regiones Neutras: Capacidad de Difusión Supongamos Base Corta y Zona N: Tiempo de Tránsito: Depende de la Longitud de la Región neutra n

78 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Cargas en las Regiones Neutras: Capacidad de Difusión En general: Los valores de Q y  dependerán del dopado y de las dimensiones del diodo Valores de Q Diodo p + n Diodo pn + vida media de portadores minoritarios tiempo de transito Base Larga Base Corta Valores de  ¡ojo! Con los subindices de los tiempos de tránsito

79 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Cargas en las Regiones Neutras: Capacidad de Difusión En general: Si V<0 domina la capacidad de unión. Si V>0 predomina la capacidad de difusión Comparación de Capacidades de unión y difusión V>0 V<0 Capacidad de difusión Capacidad de unión V>0 V<0

80 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Modelo Dinámico del Diodo Frecuencia de variación de V(t) mucho menor que la inversa de los tiempos de tránsito de los portadores minoritarios

81 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Modelo de Control de Carga (I) Resolvemos la ecuación de continuidad para los portadores minoritarios en exceso en las zonas masivas

82 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Modelo de Control de Carga (II)

83 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Modelo de Control de Carga (III) Pasamos por una sucesión de estados estacionarios Es la concentración del contorno la que varía con el tiempo

84 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Modelo de Control de Carga (IV) En resumen: variaciones de la carga en la región de transición tiempo de tránsito (Base Corta) ó vida media (Base Larga) Q(t)/  Q(t) q v (t) Modelo equivalente en gran señal (no hemos tenido en cuenta efectos de 2º orden): C j (V)

85 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Modelo de Control de Carga (IV) En resumen: variaciones de la carga en la región de transición Si V<0: => C j (V) Si V>0 => despreciamos la capacidad de unión Q(t)/  Q(t) q v (t) Modelo equivalente en gran señal (no hemos tenido en cuenta efectos de 2º orden): C j (V)

86 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Ejemplos de Transitorios: DON DOFF con pulso de tensión portadores minoritarios almacenados en las regiones masivas

87 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Transitorio de Corte (II): hemos descargado los portadores minoritarios en exceso en las regiones masivas en todo el intervalo el DON I F =V F /R I R =V R /R

88 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Transitorio de Corte (III): Tiempo que tarda la corriente del diodo en llegar a un cierto estado de desconexión Como en todo este intervalo DOFF no podemos considerar v D (t)<<-V R Modelo de control de carga en inversa

89 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Transitorio de Corte (IV): v D (∞) v D (0) i D (tr)~-0.1I R

90 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Vo vv Modelo en Pequeña Señal (I): V=Vo+  v  I=g m  v Respuesta a Vo  I (Respuesta a  v) Punto fijado por una fuente en DC, Vo Variaciones pequeñas en AC,  v Aproximación válida para  v<4U T Conductancia de Pequeña Señal: Punto de Operación, Q

91 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Modelo en Pequeña Señal (II): Polarización Inversa, Vo<0: Polarización Directa, Vo>0:

92 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Modelo del Diodo en SPICE (I)

93 Tema 3 Departamento de Electrónica y ElectromagnetismoCurso 2008/2009 Modelo del Diodo en SPICE (II)