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.

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

Aproximaciones del estudio del Dispositivo integrado: 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

x Ef Zona de Transición qVbi Tipo p Tipo n 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 p Tipo n 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

Densidad de Carga, r=q(Nd-Na+p-n): 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

Densidad de Carga, r=q(Nd-Na+p-n): 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

Densidad de Carga, r=q(Nd-Na+p-n): 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

Densidad de Carga, r=q(Nd-Na+p-n): 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

- + Densidad de Carga, r=q(Nd-Na+p-n): 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 -

En la región de transición se cumple: Q+=Q- ====> Naxp=Ndxn 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

Podemos calcular otra expresión de Vbi: 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:

Podemos calcular otra expresión de Vbi: 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:

Podemos calcular otra expresión de Vbi: 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

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 Polarización Directa (V=Vf) Polarización Inversa (V=-Vr) Arrastre =Difusión Arrastre < Difusión Arrastre > Difusión

Análisis Cualitativo: Diodo de Unión: Característica I-V (I) Análisis Cualitativo: 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: 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

Objetivo: deducir una relación de primer orden para I=f(V) en la unión 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

Objetivo: deducir una relación de primer orden para I=f(V) en la unión 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:

Objetivo: deducir una relación de primer orden para I=f(V) en la unión 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

Objetivo: deducir una relación de primer orden para I=f(V) en la unión 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

Objetivo: deducir una relación de primer orden para I=f(V) en la unión 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

jT(x)= jp(x)+jn(x)= jp(xn)+jn(-xp) 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 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 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

Diodo de Unión: Característica I-V (IV) Diodo de Base Larga Ejercicio propuesto: Derivar las densidades de corriente para diodos de Base Corta

Diodo de Unión: Característica I-V (V) V>0 y diodo de Base Larga portadores minoritarios V<0 y diodo de Base Larga portadores minoritarios

Diodo de Unión: Característica I-V (VI) Las corrientes de mayoritarios se obtienen restando de la total la de minoritarios altas y positivas mayoritarios mayoritarios mayoritarios mayoritarios minoritarios minoritarios minoritarios minoritarios pequeñas y negativas

Diodo de Unión: Característica I-V (VII)

Característica I-V Ideal (Shockley) Diodo de Unión: Característica I-V (VIII) Característica I-V Ideal (Shockley) Intensidad Inversa de saturación: Caso genérico Diodo largo Diodo Corto Silicio: 10-16A ----- 10-13A Valores típicos de Io Germanio: 10-10 A ------- 10-7A

!NO CONFUNDIR! Ecuación Shockley Aproximación lineal a tramos I Iref V Diodo de Unión: Característica I-V (VI) Ecuación Shockley Aproximación lineal a tramos I=0 si V<Vg V=Vg, I>0 I Símbolo del diodo tipo p tipo n Iref V Vg Polarización Directa Vg Polarización Inversa (V<0) Polarización Directa (V>0) Polarización Inversa Diodo "Ideal" !NO CONFUNDIR!

Diodo de Unión: Característica I-V (VI) Funcionamiento de la Unión pn para distintas polarizaciones:

Generación/recombinación en la región de transición: 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.

Alta inyección de portadores para tensiones directas elevadas: 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:

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

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 VRuptura 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.

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 VRuptura 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.

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 VRuptura 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.

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 VRuptura 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.

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 VRuptura 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.

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 VRuptura 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.

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 VRuptura 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.

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 VRuptura 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.

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 VRuptura 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.

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.

- + 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. Zener Inversa Directa rampa = 1/rz Usamos una aproximación de la característica mediante una recta de pendiente 1/rz IZK: intensidad a partir de la cual el diodo empieza a comportarse como diodo Zener - Diodo Zener VZ + IZ efecto túnel e-

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 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:

Carga incremental respecto al equilibrio: 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:

Base corta ¡ Qp y Qn no son iguales ! Base Larga np(x) pn(x) Cargas en las Regiones Neutras: Capacidad de Difusión Base corta ¡ Qp y Qn no son iguales ! Base Larga np(x) pn(x)

Existe una relación entre Qp y jp(xn) Cargas en las Regiones Neutras: Capacidad de Difusión Supongamos Base Larga y Zona N: Existe una relación entre Qp y jp(xn) vida media de portadores minoritarios Análogamente, existe una relación entre Qn y jn(-xp)

Tiempo de Tránsito: Depende de la Longitud de la Región neutra n 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

Cargas en las Regiones Neutras: Capacidad de Difusión En general: Los valores de Q y t 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 t ¡ojo! Con los subindices de los tiempos de tránsito

Comparación de Capacidades de unión y difusión Cargas en las Regiones Neutras: Capacidad de Difusión En general: Comparación de Capacidades de unión y difusión Capacidad de unión Si V<0 domina la capacidad de unión. Si V>0 predomina la capacidad de difusión Capacidad de difusión V>0 V<0 V<0 V>0

Modelo Dinámico del Diodo Frecuencia de variación de V(t) mucho menor que la inversa de los tiempos de tránsito de los portadores minoritarios

Modelo de Control de Carga (I) Resolvemos la ecuación de continuidad para los portadores minoritarios en exceso en las zonas masivas

Modelo de Control de Carga (II)

Modelo de Control de Carga (III) Pasamos por una sucesión de estados estacionarios Es la concentración del contorno la que varía con el tiempo

En resumen: Cj(V) qv(t) Q(t)/t Q(t) Modelo de Control de Carga (IV) variaciones de la carga en la región de transición variaciones de la carga en las regiones neutras Modelo equivalente en gran señal (no hemos tenido en cuenta efectos de 2º orden): tiempo de tránsito (Base Corta) ó vida media (Base Larga) Cj(V) Q(t)/t qv(t) Q(t)

Si V>0 => despreciamos la capacidad de unión Cj(V) Modelo de Control de Carga (IV) En resumen: variaciones de la carga en la región de transición variaciones de la carga en las regiones neutras Modelo equivalente en gran señal (no hemos tenido en cuenta efectos de 2º orden): Si V<0: => Cj(V) Si V>0 => despreciamos la capacidad de unión Cj(V) Q(t)/t qv(t) Q(t)

Ejemplos de Transitorios: DON con pulso de tensión DOFF portadores minoritarios almacenados en las regiones masivas

Transitorio de Corte (II): hemos descargado los portadores minoritarios en exceso en las regiones masivas en todo el intervalo el DON IF=VF/R IR=VR/R

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 vD(t)<<-VR Modelo de control de carga en inversa

Transitorio de Corte (IV): vD(∞) vD(0) iD(tr)~-0.1IR

Dv V=Vo+Dv DI=gmDv Vo Respuesta a Vo DI (Respuesta a Dv) Modelo en Pequeña Señal (I): Punto fijado por una fuente en DC, Vo Variaciones pequeñas en AC, Dv Dv V=Vo+Dv DI=gmDv Punto de Operación, Q Vo Aproximación válida para Dv<4UT Respuesta a Vo DI (Respuesta a Dv) Conductancia de Pequeña Señal:

Polarización Inversa, Vo<0: Modelo en Pequeña Señal (II): Polarización Inversa, Vo<0: Polarización Directa, Vo>0:

Modelo del Diodo en SPICE (I)

Modelo del Diodo en SPICE (II)