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Temas. Fenómenos de Ruptura Juntura: Desviaciones de lo ideal Interfaces Metal-Semiconductor y Diodo Schottky Dispositivos Optoelectrónicos Referencias. Fenómenos de Ruptura Inversa. Avalancha Zener. Tensión de ruptura inversa. Tensión de Ruptura inversa. Avalancha.

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  1. Temas • Fenómenos de Ruptura • Juntura: Desviaciones de lo ideal • Interfaces Metal-Semiconductor y Diodo Schottky • Dispositivos Optoelectrónicos • Referencias Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  2. Fenómenos de Ruptura Inversa • Avalancha • Zener Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  3. Tensión de ruptura inversa Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  4. Tensión de Ruptura inversa Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  5. Avalancha • Cuando aumenta la tensión inversa, la energía transferida por colisión aumenta • Cerca de VBR la energía es suficiente para ionizar un átomo semiconductor (impact ionization) • Libera un electrón de valencia • Efecto “bola de nieve” • Incremento de I suave alrededor de VBR • VBR aumenta con la Temp. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  6. Avalancha Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  7. Tensión de Ruptura cuando Ecr independiente del dopado Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  8. Zener • Efecto túnel en un diodo en inversa • Partícula atraviesa la barrera (sin modificar su energía o la de la barrera) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  9. Zener • Efecto túnel es significativo: • Estados vacíos de un lado, y llenos del otro a la misma energía • Ancho de la barrera de potencial pequeño (10nm) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  10. Zener • Cuanto mayor la tensión inversa, mayor la cantidad de estados a ambos lados: mayor corriente inversa • En Si, Xd < 10nm, para dopados > 10e17 / cm3 (dopado fuerte en ambos lados) • Tensión de ruptura pequeña • Efecto dominante cuando VBR < 5V Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  11. Zener y Avalancha • Avalancha: • VBR aumenta con aumento de Temperatura • Zener • VBR disminuye con el aumento de la Temperatura • Característica de ruptura suave Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  12. Zener y Avalancha • Zener • ruptura suave • Históricamente, se denomina Zener a todos los diodos que utilizan la característica de ruptura (aún cuando el efecto dominante sea avalancha) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  13. Juntura: Desviaciones de lo ideal Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  14. Factores no ideales • Entre 0.35V y 0.7V, pendiente esperada q/KT • A tensiones mayores que 0.7V, pendiente disminuye: • Altos niveles de I • A tensiones menores de 0.35V, mayores corrientes (pendiente q/2KT • Recombinación y generación en la zona de vaciamiento • También produce incremento de I en inversa Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  15. Interfaces Metal-Semiconductor y Diodo Schottky Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  16. Interfaz metal - semiconductor Electron affinity Diff. to Fermi level workfunction Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  17. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  18. MS diode Forward conduction dominated by electron injection from semiconductor into metal Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  19. El diodo Schottky Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  20. El diodo Schottky • Reverse bias capacitance is identical to a pn junction • Forward bias: • Diffusion component of current negligible • No storage of minority carriers • No diffusion capacitance • High frequency use Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  21. Contactos ohmicos • Imperfecciones producen barrera de potencial • Los niveles de energía no dependen del dopado • A mayor dopado disminuye la zona de vaciamiento, y se produde la conducción por efecto túnel (contacto ohmico) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  22. Dispositivos Optoelectrónicos Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  23. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  24. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  25. Fotodiodos • Tip. Si o GaAs • Un fotón produce un par hueco-electrón. • La circulación de estas cargas produce corriente • Captación: • 250nm – 1100nm para Si y 800nm – 2um para GaAs • Importante: Capacidad de capturar los electrones antes que se recombinen • Eficiencia cuántica: relación entre fotones que impactan y electrones de I Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  26. Fotodiodos • Factores Importantes • Velocidad de respuesta • Eficiencia cuántica • Linealidad • Uniformidad espacial • Ruido oscuro (dark noise) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  27. Fotodiodos Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  28. Diodo p-i-n Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  29. Hamamatsu model S2386 silicon photodiode Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  30. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  31. Toshiba TPS850 Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  32. Light Emitting Diode (LED) Definition: a semiconductor device that emits incoherent narrow-spectrum light when electrically biased in the forward direction Courtesy of Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/LED Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  33. Light Emitting Diode (LED) • LED v.s. Incandescent (Edison’s lightbulb) and Flourescent Bulbs • Much longer life span (105 - 106 hrs v.s. 103 / 104 hrs) • Suitable for applications that are subject to frequent on-off cycling • Efficiency: better than incandescent but currently worse than flourescent bulbs Source: US Department of Energy http://www.netl.doe.gov/ssl/faqs.htm Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  34. LED Efficiency • Internal Quantum Efficiency (ηint) • Definition: ratio of the number of electrons flowing in the external circuit to the number of photons produced within the device • Has been improved up to 80% • External Quantum Efficiency • Definition: The percentage of photons that can be extracted to the ambient. • Typically 1% ~ 10% • Limiting factor of LED efficiency • Improvement techniques: dome-shaped package, textured surface, photonic crystal, … Source: Lecture Note of “Optoelectronic Devices” (by Sheng-fu Horng, Dept. of Electrical Engrg, NTHU, Hsinchu, Taiwan) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  35. LED’s External quantum efficiency: is due to reflections in the Interface air-semiconductor Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  36. LED Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  37. Pares Tx-Rx Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  38. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  39. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  40. Optoacopladores • Aislación eléctrica entre dos circuitos. Comunicación óptica • Típicamente se utilizan haces de luz entre el rojo al infrarrojo Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  41. Características importantes: • Tensión de aislación • Buena relación de transferencia • Baja capacidad de acoplamiento • Imnunidad a interferencias Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  42. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  43. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  44. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  45. Referencias • Robert F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison –Wesley, 1996. Capítulos 6, 9, 14. • Stanley G. Burns, Paul R. Bond, “Principles of Electronic Circuits”, PWS Publishing Company, 1997. Capítulo 3. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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