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Introducción a la Electrónica de Dispositivos

Universidad de Oviedo. Área de Tecnología Electrónica. Introducción a la Electrónica de Dispositivos. Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas. ATE-UO present.

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  1. Universidad de Oviedo Área de Tecnología Electrónica Introducción a la Electrónica de Dispositivos Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas ATE-UO present. • Objetivo:Introducir los conceptos básicos sobre el funcionamiento de los dispositivos semiconductores • Asignaturas: • Dispositivos Electrónicos (1º de Ing. Telecomunicación) • Electrónica General (4º de Ing. Industrial) • Autor:Javier Sebastián Zúñiga

  2. Universidad de Oviedo Área de Tecnología Electrónica Introducción a la Electrónica de Dispositivos Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas ATE-UO Sem 00 • Materiales semiconductores (Sem01.ppt) • La unión PN y los diodos semiconductores (Pn01.ppt) • Transistores (Trans01.ppt)

  3. Materiales semiconductores (I) ATE-UO Sem 01 Semiconductores elementales: Germanio (Ge) y Silicio (Si) Compuestos IV: SiC y SiGe Compuestos III-V: Binarios: GaAs, GaP, GaSb, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP y InSb Ternarios: GaAsP, AlGaAs Cuaternarios: InGaAsP Compuestos II-VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe y CdTe Son materiales de conductividad intermedia entre la de los metales y la de los aislantes, que se modifica en gran medida por la temperatura, la excitación óptica y las impurezas.

  4. Materiales semiconductores (II) ATE-UO Sem 02 • Estructura atómica del Carbono (6 electrones) 1s2 2s2 2p2 • Estructura atómica del Silicio (14 electrones) 1s2 2s2 2p63s2 3p2 • Estructura atómica del Germanio (32 electrones) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d104s2 4p2 4 electrones en la última capa

  5. Materiales semiconductores (III) Carbono gaseoso (6 electrones) 1s2, 2s2, 2p2 4 estados vacíos 2p2 - - - - - - 2s2 1s2 Distancia interatómica Estados discretos (átomos aislados) Banda de estados ATE-UO Sem 03

  6. Materiales semiconductores (IV) Reducción de la distancia interatómica del Carbono Energía - - - - - - - - - - - - - - Distancia interatómica Grafito: Hexagonal, negro, blando y conductor Diamante: Cúbico, transparente, duro y aislante ATE-UO Sem 04

  7. Diagramas de bandas (I) Diagrama de bandas del Carbono: diamante Banda de conducción 4 estados/átomo Energía Banda prohibida Eg=6eV - - - - Banda de valencia 4 electrones/átomo ATE-UO Sem 05 Si un electrón de la banda de valencia alcanzara la energía necesaria para saltar a la banda de conducción, podría moverse al estado vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino, generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente casi ningún electrón tiene esta energía. Es un aislante.

  8. Diagramas de bandas (II) Diagrama de bandas del Carbono: grafito Banda de conducción 4 estados/átomo Energía - - - - Banda de valencia 4 electrones/átomo ATE-UO Sem 06 No hay banda prohibida. Los electrones de la banda de valencia tienen la misma energía que los estados vacíos de la banda de conducción, por lo que pueden moverse generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente es un buen conductor.

  9. Diagramas de bandas (III) Diagrama de bandas del Ge 4 estados/átomo Banda de conducción Energía Eg=0,67eV Banda prohibida - - - - Banda de valencia 4 electrones/átomo ATE-UO Sem 07 Si un electrón de la banda de valencia alcanza la energía necesaria para saltar a la banda de conducción, puede moverse al estado vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino, generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente algunos electrones tienen esta energía. Es un semiconductor.

  10. Diagramas de bandas (IV) Banda de conducción Banda de conducción Banda de conducción Eg Eg Banda de valencia Banda de valencia Banda de valencia Aislante Eg=5-10eV Semiconductor Eg=0,5-2eV Conductor No hay Eg ATE-UO Sem 08 A 0ºK, tanto los aislantes como los semiconductores no conducen, ya que ningún electrón tiene energía suficiente para pasar de la banda de valencia a la de conducción. A 300ºK, algunos electrones de los semiconductores alcanzan este nivel. Al aumentar la temperatura aumenta la conducción en los semiconductores (al contrario que en los metales).

  11. Representación plana del Germanio a 0º K - - Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ATE-UO Sem 09 No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a que los electrones de la banda de valencia no pueden saltar a la banda de conducción.

  12. Situación del Ge a 0ºK 300º K (I) Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + ATE-UO Sem 10 • Hay 1enlace roto por cada 1,7·109 átomos. • Un electrón “libre” y una carga “+” por cada enlace roto.

  13. Situación del Ge a 300º K (II) Generación Recombinación Generación Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Generación + + + + Recombinación Siempre se están rompiendo (generación) y reconstruyendo (recombinación) enlaces. La vida media de un electrón puede ser del orden de milisegundos o microsegundos. ATE-UO Sem 11 Muy importante

  14. Aplicación de un campo externo (I) ------- Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + - + ATE-UO Sem 12 • El electrón libre se mueve por acción del campo. • ¿Y la carga ”+” ?.

  15. Aplicación de un campo externo (II) ------- Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + - + ATE-UO Sem 13 Muy importante • La carga “+” se mueve también. Es un nuevo portador de carga, llamado “hueco”.

  16. Mecanismo de conducción. Interpretación en diagrama de bandas Átomo 1 Átomo 2 Átomo 3 - - - - - - - - - - - - - - + + + - Campo eléctrico ATE-UO Sem 14

  17. Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior (I)    jn E jp - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Existe corriente eléctrica debida a los dos portadores de carga: jp=q·p·p·Ees la densidad de corriente de huecos. jn=q·n·n·Ees la densidad de corriente de electrones.     ATE-UO Sem 15

  18. Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior (II)     jp=q·p·p·E jn=q·n·n·E ATE-UO Sem 16 q = carga del electrón p = movilidad de los huecos n = movilidad de los electrones p = concentración de huecos n = concentración de electrones E = intensidad del campo eléctrico Muy importante

  19. Semiconductores Intrínsecos ATE-UO Sem 17 • Todo lo comentado hasta ahora se refiere a los llamados “Semiconductores Intrínsecos”, en los que: • No hay ninguna impureza en la red cristalina. • Hay igual número de electrones que de huecos n = p = ni Ge: ni = 2·1013 portadores/cm3 Si: ni = 1010 portadores/cm3 AsGa: ni = 2·106 portadores/cm3 (a temperatura ambiente) ¿Pueden modificarse estos valores? ¿Puede desequilibrarse el número de electrones y de huecos? La respuesta son los Semiconductores Extrínsecos

  20. Semiconductores Extrínsecos (I) Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo V - - Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0ºK 1 5 2 4 3 Sb Tiene 5 electrones en la última capa ATE-UO Sem 18 A 0ºK, habría un electrón adicional ligado al átomo de Sb

  21. Semiconductores Extrínsecos (II) - - Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 300ºK 0ºK 1 5 2 4 3 Sb Sb+ ATE-UO Sem 19 A 300ºK, todos electrones adicionales de los átomos de Sb están desligados de su átomo (pueden desplazarse y originar corriente eléctrica). El Sb es un donador y en el Ge hay más electrones que huecos. Es un semiconductor tipo N.

  22. Semiconductores Extrínsecos (III) Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor extrínseco Tipo N 3 est./atm. 1 electr./atm. 4 est./atm. 0 electr./atm. 300ºK 0ºK + Energía Eg=0,67eV - - - - - - ESb=0,039eV 4 electr./atm. ATE-UO Sem 20 El Sb genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda de conducción. La energía necesaria para alcanzar la banda de conducción se consigue a la temperatura ambiente.

  23. Semiconductores Extrínsecos (IV) Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo III - - Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0ºK 1 2 3 Al Tiene 3 electrones en la última capa ATE-UO Sem 21 A 0ºK, habría una “falta de electrón” adicional ligado al átomo de Al

  24. Semiconductores Extrínsecos (V) - - Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 300ºK 0ºK 1 2 + 4 (extra) 3 Al Al- ATE-UO Sem 22 A 300ºK, todas las “faltas” de electrón de los átomos de Al están cubiertas con un electrón procedente de un átomo de Ge, en el que se genera un hueco. El Al es un aceptador y en el Ge hay más huecos que electrones. Es un semiconductor tipo P.

  25. Semiconductores Extrínsecos (VI) Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor extrínseco Tipo P + 300ºK 0ºK 4 est./atom. Energía EAl=0,067eV Eg=0,67eV - - - - - 3 electr./atom. 1 hueco/atom. 4 electr./atom. 0 huecos/atom. ATE-UO Sem 23 El Al genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda de valencia. La energía necesaria para que un electrón alcance este estado permitido se consigue a la temperatura ambiente, generando un hueco en la banda de valencia.

  26. Resumen ATE-UO Sem 24 Muy importante • Semiconductores intrínsecos: • Igual número de huecos y de electrones • Semiconductores extrínsecos: • Tipo P: • Más huecos (mayoritarios) que electrones (minoritarios) • Impurezas del grupo III (aceptador) • Todos los átomos de aceptador ionizados “-”. • Tipo N: • Más electrones (mayoritarios) que huecos (minoritarios) • Impurezas del grupo V (donador) • Todos los átomos de donador ionizados “+”.

  27. Diagramas de bandas del cristal Cristal de Ge con m átomos 4·m estados 0ºK 300ºK Banda de conducción Energía - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Banda de valencia + + 4·m electrones ATE-UO Sem 25 ¿Cómo es la distribución de electrones , huecos y estados en la realidad?

  28. Densidad de estados en las bandas de conducción y valencia gc(E)= densidad de estados en los que puede haber electrones en la banda de conducción E gc(E) Ec Eg=0,67eV (Ge) Banda prohibida Ev E1 gv(E)= densidad de estados en los que puede haber electrones en la banda de valencia dE gv(E) Significado: gv(E1)·dE = nº de estados con energía E1 en los que puede haber electrones en la banda de valencia, por unidad de volumen. Lo mismo para la otra banda ATE-UO Sem 26

  29. Función de Fermi f(E) f(E) 1 1 f(E) = (E-EF)/kT 1 + e 0,5 T=0ºK 0 0 T=500ºK T=300ºK E EF ATE-UO Sem 27 f(E) es la probabilidad de que un estado de energía E esté ocupado por un electrón, en equilibrio EF=nivel de Fermi k=constante de Boltzmann T=temperatura absoluta

  30. Calculamos la concentración de electrones en la banda de conducción, “n”. Estados vacíos completamente Estados posibles E En general: ¥ gc(E) n = gc(E)·f(E)·dE Ec Ec EF A 0ºK: f(E)b. cond.=0, luego n = 0 gv(E) Ev f(E) 0,5 1 0 Estados completamente llenos de electrones Estados posibles ATE-UO Sem 28

  31. Semiconductor intrínseco a alta temperatura (para que se puedan ver los electrones) n electrones/vol. Estados posibles E ¥ n = gc(E)·f(E)·dE ¹ 0 gc(E) Ec EF Ec Ev f(E) huecos gv(E) 0 0,5 1 Estados posibles Electrones ATE-UO Sem 29

  32. Calculamos la concentración de huecos en la banda de valencia, “p”. Estados posibles Ev Electrones p = gv(E)·(1-f(E))·dE = n E -¥ 1-f(E) gc(E) Ec El nivel de Fermi tiene que ser tal que las áreas que representan huecos y electrones sean idénticas (sem. intrínseco) EF Ev gv(E) f(E) Estados posibles 0 0,5 Huecos 1 ATE-UO Sem 30

  33. Concentración de electrones y huecos en sem. intrínsecos, extrínsecos tipo N y extrínsecos tipo P n n Baja el nivel de Fermi n 1-f(E) 1-f(E) 1-f(E) Sube el nivel de Fermi p p p f(E) f(E) f(E) Semiconductor extrínseco tipo P Semiconductor intrínseco Semiconductor extrínseco tipo N ATE-UO Sem 31

  34. Relaciones entre “n”, “p” y “ni” (Ev-EF)/kT (EF-Ec)/kT Ev e e ¥ p = gv(E)·(1-f(E))·dE »Nv· n = gc(E)·f(E)·dE »Nc· -¥ Ec (EFi-Ec)/kT (Ev-EFi)/kT ni = pi =Nv·e = Nc·e (EF-EFi)/kT n = ni·e (EFi-EF)/kT p = ni·e ATE-UO Sem 32 Nc es una constante que depende de T3/2 Nv es otra constante que depende de T3/2 Particularizamos para el caso intrínseco: Eliminamos Nc y Nv: Muy importante p·n =ni2 Finalmente obtenemos:

  35. Ecuaciones en los semiconductores extrínsecos p·n =ni2 Producto n·p ATE-UO Sem 33 ND= concentr. donador NA= concentr. aceptador Neutralidad eléctrica(el semiconductor intrínseco era neutro y la sustancia dopante también, por lo que también lo será el semiconductor extrínseco): Dopado tipo N: n=p + ND Dopado tipo P: n + NA= p Ambos dopados: n + NA= p + ND Muy importante Simplificaciones si NA >> ni p=NA NA·n = ni2 Simplificaciones si ND >> ni n=ND ND·p = ni2

  36. Diagrama de bandas con un campo eléctrico interno y en equilibrio Si existe un campo y estamos en equilibrio, cambian las concentraciones de los portadores. A la inversa pasa lo mismo. - - - - Ge + + + + 2 1 - - - - V1 V2 E (V1-V2)·q + + + + Ec  p > ni n > ni EFi2 Ec EFi EFi1 EF EFi Ev El nivel de Fermi es el mismo en todo el cristal (equilibrio). Ev 1 2 ATE-UO Sem 34 DEFi = EFi2-EFi1 = = (V2 - V1)·(-q) = = (V1 - V2)·q

  37. Difusión de electrones (I)   jn jn - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 2 n2< n1 n1 ATE-UO Sem 35 Los electrones se han movido por difusión(el mismo fenómeno que la difusión de gases o de líquidos).

  38. Difusión de electrones (II) La densidad de corriente a la que dan origen es proporcional al gradiente de la concentración de electrones: jn=q·Dn· n  jn    - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 2 n2< n1 n1   n ATE-UO Sem 36 Mantenemos la concentración distinta

  39. Difusión de huecos (I)  jp 1 2 p2< p1 p1 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + ATE-UO Sem 37 Los huecos se han movido por difusión(el mismo fenómeno que la difusión de electrones).

  40. Difusión de huecos (II) 1 2 p2< p1 p1  + + + + + + + + + + + + + + + + + + jp La densidad de corriente es proporcional al gradiente de la concentración de huecos, aunque su sentido es opuesto: jp=-q·Dp· p      p ATE-UO Sem 38 Mantenemos la concentración distinta

  41. Resumen de la difusión de portadores     jn=q·Dn· n jp=-q·Dp· p   ATE-UO Sem 39 Dn = Constante de difusión de electrones Dp = Constante de difusión de huecos Muy importante Nótese que las corrientes de difusiónno dependen de las concentraciones, sino de la variación espacial (gradiente) de las concentraciones.

  42. Equilibrio difusión-campo para electrones (I) - - - - - 2 1 + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - n2< n1 n1  jn difusión=q·Dn·dn/dx jn difusión  jn campo=q·n·n·E jn campo  E ATE-UO Sem 40 Equilibrio: jn difusión+ jn campo=0

  43. Equilibrio difusión-campo para electrones (II) - - - - - 2 1 + + + + + V1 V2 - - - - - - - - - - - - - - - - - -  E n2< n1 n1 ATE-UO Sem 41 Sustituimos e integramos: jn difusión=q·Dn·dn/dx jn campo=q·n·n·E E=-dV/dx V21=V2-V1=-(Dn/n)·ln(n1/n2)

  44. Equilibrio difusión-campo para huecos (I) - - - - - + + + + + p1 p2< p1 + + + + + + + + + + + + + + + + + + jp difusión=-q·Dp·dp/dx  jp difusión  jp campo=q·p·p·E jp campo  E ATE-UO Sem 42 Equilibrio: jp difusión+ jp campo=0

  45. Equilibrio difusión-campo para huecos (II) - - - - - 2 1 + + + + + V2 V1  E p2< p1 p1 + + + + + + + + + + + + + + + + + + ATE-UO Sem 43 Sustituimos e integramos: jp difusión=-q·Dp·dp/dx E=-dV/dx jp campo=q·p·p·E V21=V2-V1=(Dp/p)·ln(p1/p2)

  46. Equilibrio difusión-campo para electrones y huecos (I) 1 2 - - - - - + + + + + V2 V1 - - - - - - - - - - - - - - - -  p2, n2 E p1, n1 + + + + + + + + + + + + + + + + ATE-UO Sem 44 V21 = V2-V1 = (Dp/p)·ln(p1/p2) V21 = V2-V1 = -(Dn/n)·ln(n1/n2) p1.n1 = ni2 p2.n2 = ni2 Partimos de:

  47. Equilibrio difusión-campo para electrones y huecos (II) q·(V2-V1)/kT (EF-EFi2)/kT (EF-EFi1)/kT n2/n1 = e n1 = ni·e n2 = ni·e ATE-UO Sem 45 Dp/p = Dn/n p1/p2 = n2/n1 se obtiene: Partimos de: EFi2-EFi1 =q·(V1-V2) se obtiene: y, por tanto: V2-V1 = (Dn/n)·ln(n2/n1) = (Dn/n)· q·(V2-V1)/kT Dn/n = kT/q = VT(Relación de Einstein) también: Dn/n = Dp/p = kT/q = VT (VT= 26mV a 300ºK)

  48. Equilibrio difusión-campo para electrones y huecos (III) 2 1 - - - + + + V1 V2 - - - - - - - - - - - p2<p1 n2>n1 p1, n1  E V2-V1 = VT·ln(p1/p2) V2-V1 = VT·ln(n2/n1) + + + + + + + + + + + + + (V2-V1)/VT (V2-V1)/VT n2/n1 = e p1/p2 = e ATE-UO Sem 46 Resumen: ó Muy importante (VT= 26mV a 300ºK)

  49. Evolución temporal de un exceso en la concentración de minoritarios (I) p p N N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + p0 En t=0, incide luz (por ejemplo), por lo que: Dp=Dn p(0)=p0>>p n(0)=n0»n (Hipótesis de baja inyección) N ATE-UO Sem 47 Partimos de un semiconductor tipo N. Dibujamos los pocos huecos En t<0, p(t) = p

  50. Evolución temporal de un exceso en la concentración de minoritarios (II) + + + + + + + + + + + + + p0 N ATE-UO Sem 48 Definimos el “exceso de minoritarios”: p’(t)=p(t)- p p’0= p0-p Cesa la luz. Hay un exceso de concentración de huecos con relación a la de equilibrio térmico. Se incrementan las recombinaciones.

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