Diodos Semiconductores. INTRODUCCION Actualmente contamos con mejoras actuales, los sistemas son increíblemente mas pequeños, las velocidades de operación.

Presentación del tema: "Diodos Semiconductores. INTRODUCCION Actualmente contamos con mejoras actuales, los sistemas son increíblemente mas pequeños, las velocidades de operación."— Transcripción de la presentación:

1 Diodos Semiconductores

2 INTRODUCCION Actualmente contamos con mejoras actuales, los sistemas son increíblemente mas pequeños, las velocidades de operación son extraordinarias y cada dia va mejorando la tecnología poco a poco. Los cambios mas importantes se han presentado en la comprensión de como funcionan estos dispositivos sus capacidades. El propósito principal del contenedor es el servir como un medio de manejar el dispositivo o sistema y proporcionar un mecanismo de conexión al resto de la red. La miniaturización adicional parece estar limitada por tres factores:  La calidad del material semiconductor.  La técnica de diseño de redes.  Los límites del equipo de fabricación y procesamiento.

3 MATERIALES SEMICONDUCTORES: Ge, Si Y GaAS La construcción de cualquier dispositivo electrónico discreto (individual) de estado sólido (estructura de cristal duro) o circuito integrado, se inicia con un material semiconductor de la más alta calidad. Los semiconductores son una clase especial de elementos cuya conductividad se encuentra entre la de un buen conductor y la de un aislante. Materiales Semiconductores Un solo Cristal: Germanio (Ge) Silicio (Si) Compuesto: Arseniuro de galio (GaAs) Sulfuro de cadmio (CdS) Nitruro de galio (GaN) Fosfuro de galio y arsénico (GaAsP)

4 MATERIALES SEMICONDUCTORES: Ge, Si Y GaAS Los tres semiconductores más frecuentemente utilizados en la construcción de dispositivos electrónicos son Ge, Si y GaAs. Las computadoras operaban a velocidades cada vez más altas y los sistemas de comunicación lo hacían a niveles cada vez más altos de desempeño. El resultado fue el desarrollo del primer transistor de GaAs a principios de la década de 1970.

5 ENLACE COVALENTE Y MATERIALES INTRÍNSECOS Todo átomo se compone de tres partículas básicas: electrón, protón y neutrón. En la estructura entrelazada, los neutrones y los protones forman el núcleo; los electrones aparecen en órbitas fijas alrededor de éste. El modelo de Bohr de los tres materiales aparece a continuación: Como se indica en la figura, el silicio tiene 14 electrones en órbita, el germanio 32, el galio 31 y el arsénico 33. En el germanio y el silicio hay cuatro electrones en la capa más externa, los cuales se conocen como electrones de valencia. El galio tiene tres electrones de valencia y el arsénico cinco.

6 ENLACE COVALENTE Y MATERIALES INTRÍNSECOS En un cristal de silicio o germanio puros, los cuatro electrones de valencia de un átomo forman un arreglo de enlace con cuatro átomos adyacentes, como se muestra en la figura. Este enlace de átomos, reforzado por compartir electrones, se llama enlace covalente.

7 ENLACE COVALENTE Y MATERIALES INTRÍNSECOS Aunque el enlace covalente produce un enlace más fuerte entre los electrones de valencia y su átomo padre, aún es posible que los electrones de valencia absorban suficiente energía cinética proveniente de causas externas para romper el enlace covalente y asumir el estado “libre”. El término libre se aplica a cualquier electrón que se haya separado de la estructura entrelazada fija y es muy sensible a cualquier campo eléctrico aplicado como el establecido por fuentes de voltaje o por cualquier diferencia de potencial.

8 ENLACE COVALENTE Y MATERIALES INTRÍNSECOS El término intrínseco se aplica a cualquier material semiconductor que haya sido cuidadosamente refinado para reducir el número de impurezas a un nivel muy bajo; en esencia, lo más puro posible que se pueda fabricar utilizando tecnología actual. La capacidad de cambiar las características de un material mediante este proceso se llama impurificación o dopado, algo que el germanio, el silicio y el arseniuro de galio aceptan con facilidad y rapidez. Una importante e interesante diferencia entre semiconductores y conductores es su reacción ante la aplicación de calor. En el caso de los conductores, la resistencia se incrementa con un aumento de calor. Se dice que los materiales que reaccionan de esta manera tienen un coeficiente de temperatura positivo. Los materiales semiconductores, sin embargo, presentan un nivel incrementado de conductividad con la aplicación de calor. Conforme se eleva la temperatura, un mayor número de electrones de valencia absorben suficiente energía térmica para romper el enlace covalente y así contribuir al número de portadores libres.

9 NIVELES DE ENERGIA Cuanto más alejado está un electrón del núcleo, mayor es su estado de energía y cualquier electrón que haya abandonado a su átomo padre tiene un estado de energía mayor que todo electrón que permanezca en la estructura atómica. Un electrón en la banda de valencia de silicio debe absorber más energía que uno en la banda de valencia de germanio para convertirse en portador libre. Asimismo, un electrón en la banda de valencia de arseniuro de galio debe absorber más energía que uno en la de silicio o germanio para entrar a la banda de conducción.

10 MATERIALES EXTRÍNSECOS: MATERIALES TIPO n Y TIPO p Como el Ge, el Si y el GaAs comparten un enlace covalente similar, se puede ampliar fácilmente el análisis para incluir el uso de otros materiales en el proceso de fabricación. Un material semiconductor que ha sido sometido al proceso de dopado se conoce como material extrínseco. Hay dos materiales extrínsecos de inmensurable importancia en la fabricación de dispositivos semiconductores:  TIPO N  TIPO P.

11 MATERIALES EXTRÍNSECOS: MATERIALES TIPO n Y TIPO p Tipo N Un material tipo n se crea introduciendo elementos de impureza que contienen cinco electrones de valencia (pentavalentes), como el antimonio, el arsénico y el fósforo.

12 MATERIALES EXTRÍNSECOS: MATERIALES TIPO n Y TIPO p Tipo P El material tipo p se forma dopando un cristal de germanio o silicio puro con átomos de impureza que tienen tres electrones de valencia. Los elementos más utilizados para este propósito son boro, galio e indio.

13 DIODO SEMICONDUCTOR El diodo semiconductor, con aplicaciones demasiado numerosas de mencionar, se crea uniendo un material tipo n a un material tipo p. Sin polarización aplicada (V = 0 V) Esta región de iones positivos y negativos revelados se llama región de “empobrecimiento”, debido a la disminución de portadores libres en la región.

14 DIODO SEMICONDUCTOR Condición de polarización en inversa (VD<0V) El término saturación se deriva del hecho de que alcanza su nivel máximo con rapidez y que no cambia de manera significativa con los incrementos en el potencial de polarización en inversa

15 DIODO SEMICONDUCTOR Condición de polarización Directa (VD<0V) La condición de polarización en directa o “encendido” se establece aplicando el potencial positivo al material tipo p y el potencial negativo al tipo n

16 DIODO SEMICONDUCTOR Región Zener El potencial de polarización en inversa que produce este cambio dramático de las características se llama potencial Zener y su símbolo es VZ. El máximo potencial de polarización en inversa que se puede aplicar antes de entrar a la región Zener se llama voltaje inverso pico (conocido como valor PIV) o voltaje de reversa pico (denotado como valor PRV). A una temperatura fija, la corriente de saturación en inversa de un diodo se incrementa con un incremento de la polarización en inversa aplicada.

17 DIODO SEMICONDUCTOR Ge, Si y GaAs La forma de la curva en la región de polarización inversa también es bastante parecida para cada material, pero observe la diferencia medible en las magnitudes de las corrientes de saturación en inversa típicas. Para GaAs, la corriente de saturación en inversa es por lo general de aproximadamente 1 pA, comparada con 10 pA para Si y 1 mA para Ge; una diferencia significativa de niveles.

18 DIODO SEMICONDUCTOR NIVELES DE RESISTENCIA Resistencia de CD o estática Resistencia de CA o dinamica

19 DIODO SEMICONDUCTOR Tabla de resumen

20 DIODO SEMICONDUCTOR CIRCUITOS EQUIVALENTES DEL DIODO Una técnica para obtener un circuito equivalente de un diodo es simular con más o menos precisión las características del dispositivo mediante segmentos de línea recta, como se muestra en la figura. El circuito resultante equivalente se llama circuito equivalente lineal por segmentos. Un circuito equivalente es una combinación de elementos apropiadamente seleccionados para que representen mejor las características terminales reales de un dispositivo o sistema en una región de operación particular. Circuito lineal equivalente por segmentos

21 DIODO SEMICONDUCTOR la resistencia rprom es suficientemente pequeña para ser ignorada en comparación con los demás elementos de la red. La eliminación de rprom del circuito equivalente es lo mismo que suponer que las características del diodo son las que se muestran en la figura. En realidad, esta aproximación se emplea con frecuencia en el análisis de circuitos semiconductores Circuito equivalente simplificado

22 DIODO SEMICONDUCTOR Ahora que se eliminó rprom del circuito equivalente, llevemos el análisis un paso adelante y establezcamos que el nivel de 0.7 V con frecuencia puede ser ignorado en comparación con el nivel de voltaje aplicado. Circuito equivalente ideal

23 DIODO SEMICONDUCTOR Tabla de resumen

24 DIODO SEMICONDUCTOR Todo dispositivo electrónico o eléctrico es sensible a la frecuencia. En la región de polarización en inversa tenemos la capacitancia de transición o de región de empobrecimiento (CT ) en tanto que en la región de polarización en directa tenemos la capacitancia de almacenamiento o difusión (CD ). CAPACITANCIAS DE DIFUSIÓN Y TRANSICIÓN

25 DIODO SEMICONDUCTOR Si el voltaje aplicado se tiene que invertir para establecer una situación de polarización en inversa, de algún modo nos gustaría ver que el diodo cambia instantáneamente del estado de conducción al de no conducción. En esencia, el diodo permanece en el estado de cortocircuito con una corriente Inversa determinada por los parámetros de la red. Con el tiempo, cuando esta fase de almacenamiento ha pasado, el nivel de la corriente se reduce al nivel asociado con el estado de no conducción. Este segundo lapso está denotado por tt (intervalo de transición). El tiempo de recuperación en inversa es la suma de estos dos intervalos: trr ts tt TIEMPO DE RECUPERACIÓN EN INVERSA

26 DIODO SEMICONDUCTOR La notación que con más frecuencia se utiliza para diodos semiconductores se da en la siguientes figuras NOTACIÓN PARA DIODOS SEMICONDUCTORES

27 RESUMEN 1.Las características de un diodo ideal son exactamente las de un interruptor simple, excepto por el hecho importante de que un diodo ideal puede conducir en sólo una dirección. 2.El diodo ideal es un corto circuito en la región de conducción y un circuito abierto en la región de no conducción. 3.Un semiconductor es un material que tiene un nivel de conductividad entre la de un buen conductor y la de un aislante. 4.Un enlace de átomos, reforzado por la compartición de electrones entre átomos vecinos, se llama enlace covalente. 5.El aumento de las temperaturas puede provocar un incremento significativo del número de electrones libres en un material semiconductor. 6.La mayoría de los materiales semiconductores utilizados en la industria electrónica tienen coeficientes de temperatura negativos; es decir, la resistencia se reduce con un aumento de temperatura. Conclusiones y conceptos importantes

28 RESUMEN Conclusiones y conceptos importantes 7.Los materiales intrínsecos son aquellos semiconductores que tienen un nivel muy bajo de impurezas, en tanto que los materiales extrínsecos son semiconductores que se expusieron a un proceso de dopado. 8.Un material tipo n se forma agregando átomos donadores que tengan cinco electrones de valencia para establecer un alto nivel de electrones relativamente libres. En un material tipo n, el electrón es el portador mayoritario y el hueco es el portador minoritario. 9.Un material tipo p se forma agregando átomos aceptores con tres electrones de valencia 49 para establecer un alto nivel de huecos en el material. En un material tipo n, el hueco es el portador mayoritario y el electrón el minoritario. 10.La región cerca de la unión de un diodo que tiene muy pocos portadores se llama región de empobrecimiento.

29 RESUMEN Conclusiones y conceptos importantes 11.Sin ninguna polarización externa aplicada, la corriente en el diodo es cero. 12.En la región de polarización en directa, la corriente en el diodo se incrementa exponencialmente con el aumento del voltaje a través del diodo. 13.En la región de polarización en inversa, la corriente en el diodo es la corriente de saturación en inversa muy pequeña hasta que se alcanza la ruptura Zener y la corriente fluye en la dirección opuesta a través del diodo. 14.La corriente de saturación en inversa Is casi duplica su magnitud por cada 10 veces de incremento de la temperatura. 15.La resistencia de cd de un diodo está determinada por la relación del voltaje y la corriente en el diodo en el punto de interés y no es sensible a la forma de la curva. La resistencia de cd se reduce con el incremento de la corriente o voltaje en el diodo.

30 RESUMEN Conclusiones y conceptos importantes 16.La resistencia de ca de un diodo es sensible a la forma de la curva en la región de interés y se reduce con altos niveles de corriente o voltaje del diodo. 17.El voltaje de umbral es aproximadamente de 0.7 V para diodos de silicio y de 0.3 V para diodos de germanio. 18.El nivel de disipación de potencia nominal máxima de un diodo es igual al producto del voltaje y corriente del diodo. 19.La capacitancia de un diodo se incrementa exponencialmente con el aumento del voltaje de polarización en directa. Sus niveles mínimos ocurren en la región de polarización en inversa. 20.La dirección de conducción de un diodo Zener se opone a la de la flecha en el símbolo y el voltaje Zener tiene una polaridad opuesta a la de un diodo polarizado en directa. 21.Los diodos emisores de luz (LED) emiten luz en condiciones de polarización en directa pero requieren 2 V a 4 V para una buena emisión.

31 RESUMENEcuaciones