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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 .

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
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Asignatura Electrónica

Tema 3: Diodo de unión PN

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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.
slide3

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.
slide4

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.
slide5

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.
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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.
slide7

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.
slide8

Si, tipo p

Si, tipo n

Estructura de la Unión PN:

X

(Punto donde Nd-Na es nulo)

slide9

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.

slide10

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

slide11

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.

slide12

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

slide13

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

slide14

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

slide15

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

slide16

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

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Unión PN abrupta: Condiciones de Equilibrio

Estudio Cualitativo de la Electroestática del Equilibrio

gradiente de portadores

slide18

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

slide19

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

slide20

Unión PN abrupta: Distribución de Portadores

Zona donde apenas hay portadores libres

slide21

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
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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
slide25

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
slide26

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
slide27

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
slide28

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
slide29

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

slide30

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:
slide31

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:

slide32

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)

slide34

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

slide35

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

slide36

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

slide37

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

slide38

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:

slide39

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

slide40

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

slide41

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

slide42

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

slide43

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...
slide44

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...
slide45

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...
slide47

Diodo de Unión: Característica I-V (III)

X Α

Condiciones de contorno:

1) Contacto Ideal:

2)

slide50

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

slide51

Diodo de Unión: Característica I-V (IV)

Diodo de Base Larga

Ejercicio propuesto: Derivar las densidades de corriente para diodos de Base Corta

slide52

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

slide53

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

slide55

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

slide56

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 n

tipo p

Iref

V

Vg

Polarización Directa

Vg

Polarización Inversa (V<0)

Polarización Directa (V>0)

Polarización Inversa

Diodo "Ideal"

!NO CONFUNDIR!

slide57

Diodo de Unión: Característica I-V (VI)

Funcionamiento de la Unión pn para distintas polarizaciones:

slide58

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.

slide59

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:
slide60

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

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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.
slide62

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.
slide63

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.
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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.
slide65

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.
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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.
slide67

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.
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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.
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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.
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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.
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Diodo Zener

IZ

-

+

VZ

Directa

Zener

Inversa

efecto túnel

e-

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.

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

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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

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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:

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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:

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np(x)

pn(x)

Cargas en las Regiones Neutras: Capacidad de Difusión

Base corta

¡ Qp y Qn no son iguales !

Base Larga

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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)

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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

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Diodo p+n

Valores de Q

Diodo pn+

vida media de portadores minoritarios

Base Larga

Valores de t

tiempo de transito

Base Corta

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

¡ojo! Con los subindices de los tiempos de tránsito

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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

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Modelo Dinámico del Diodo

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

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Modelo deControl de Carga (I)

Resolvemos la ecuación de continuidad para los portadores minoritarios en exceso en las zonas masivas

slide83

Modelo deControl de Carga (III)

Pasamos por una sucesión de estados estacionarios

Es la concentración del contorno la que varía con el tiempo

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Modelo deControl 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):

tiempo de tránsito (Base Corta) ó vida media (Base Larga)

Cj(V)

qv(t)

Q(t)/t

Q(t)

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Modelo deControl 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)

qv(t)

Q(t)/t

Q(t)

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Ejemplos de Transitorios:

DON

con pulso de tensión

DOFF

portadores minoritarios almacenados en las regiones masivas

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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

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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

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Transitorio de Corte (IV):

vD(0)

vD(∞)

iD(tr)~-0.1IR

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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:

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Modelo en Pequeña Señal (II):

Polarización Inversa, Vo<0:

Polarización Directa, Vo>0: