Sin ttulo de diapositiva

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• 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

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• Materiales semiconductores (Sem01.ppt)
• La unión PN y los diodos semiconductores
  (Pn01.ppt)
• Transistores (Trans01.ppt)

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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.
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• Estructura atómica del Carbono (6 electrones)

1s2 2s2 2p2

• Estructura atómica del Silicio (14 electrones)

1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

• Estructura atómica del Germanio (32 electrones)

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2
4 electrones en la última capa
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(No Transcript)
6
(No Transcript)
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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.
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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.
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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.
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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).
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No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a
que los electrones de la banda de valencia no
pueden saltar a la banda de conducción.
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• Hay 1 enlace roto por cada 1,7109 átomos.
• Un electrón libre y una carga por cada
  enlace roto.

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Muy importante
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• El electrón libre se mueve por acción del campo.
• Y la carga ?.

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Muy importante

• La carga se mueve también. Es un nuevo
  portador de carga, llamado hueco.

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(No Transcript)
17
(No Transcript)
18
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
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• 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 21013 portadores/cm3 Si ni
1010 portadores/cm3 AsGa ni 2106
portadores/cm3 (a temperatura ambiente)
Pueden modificarse estos valores? Puede
desequilibrarse el número de electrones y de
huecos? La respuesta son los Semiconductores
Extrínsecos
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A 0ºK, habría un electrón adicional ligado al
átomo de Sb
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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.
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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.
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A 0ºK, habría una falta de electrón adicional
ligado al átomo de Al
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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.
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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.
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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 .

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Cómo es la distribución de electrones , huecos y
estados en la realidad?
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(No Transcript)
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f(E) es la probabilidad de que un estado de
energía E esté ocupado por un electrón, en
equilibrio
EFnivel de Fermi kconstante de
Boltzmann Ttemperatura absoluta
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(No Transcript)
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(No Transcript)
32
(No Transcript)
33
(No Transcript)
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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
pn ni2
Finalmente obtenemos
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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 gtgt ni pNA NAn
ni2
Simplificaciones si ND gtgt ni nND NDp
ni2
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DEFi EFi2-EFi1 (V2 - V1)(-q) (V1 -
V2)q
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Los electrones se han movido por difusión (el
mismo fenómeno que la difusión de gases o de
líquidos).
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Mantenemos la concentración distinta
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Los huecos se han movido por difusión (el mismo
fenómeno que la difusión de electrones).
40
Mantenemos la concentración distinta
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Dn Constante de difusión de electrones Dp
Constante de difusión de huecos
Muy importante
Nótese que las corrientes de difusión no dependen
de las concentraciones, sino de la variación
espacial (gradiente) de las concentraciones.
42
Equilibrio jn difusión jn campo0
43
Sustituimos e integramos
jn difusiónqDndn/dx
jn campoq?nnE
E-dV/dx
V21V2-V1-(Dn/?n)ln(n1/n2)
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Equilibrio jp difusión jp campo0
45
Sustituimos e integramos
jp difusión-qDpdp/dx
E-dV/dx
jp campoq?ppE
V21V2-V1(Dp/?p)ln(p1/p2)
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V21 V2-V1 (Dp/?p)ln(p1/p2) V21 V2-V1
-(Dn/?n)ln(n1/n2) p1.n1 ni2 p2.n2 ni2
Partimos de
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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)
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Resumen
ó
Muy importante
(VT 26mV a 300ºK)
49
Partimos de un semiconductor tipo N. Dibujamos
los pocos huecos
En tlt0, p(t) p?
50
Definimos el exceso de minoritarios p(t)p(t)-
p?????? p0 p0-p?
Cesa la luz. Hay un exceso de concentración de
huecos con relación a la de equilibrio térmico.
Se incrementan las recombinaciones.
51
(No Transcript)
52
Representamos el exceso de concentración
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La tasa de recombinación de huecos debe ser
proporcional al exceso en su concentración
-dp/dt K1p (nótese que dp/dt
dp/dt) Integrando p(t) p????p?-?p?)e-t??p do
nde ?p? 1/K1 (vida media de los huecos)
Muy importante
54
Interpretaciones de la vida media de los huecos ?p
Lo mismo con los electrones
55
Objetivo relacionar la variación temporal y
espacial de la concentración de los
portadores. El cálculo se realizará con los
huecos
Por qué razones puede cambiar en el tiempo la
concentración de huecos en este recinto?
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2º Recombinación de los huecos o electrones que
pueda haber en exceso
57
3º Generación de un exceso de concentración de
huecos y electrones por luz
58
(No Transcript)
59
1º Acumulación de huecos al entrar y salir
distinta densidad de corriente (continuación)
2º Recombinación de los huecos que pueda haber en
exceso
La variación de la concentración de huecos por
unidad de tiempo en el volumen Adx, será
-p(t)- p??/?p
3º Generación de un exceso de concentración de
huecos por luz
La variación de la concentración de huecos por
unidad de tiempo en el volumen Adx debida a luz
GL
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Ecuación de continuidad para los huecos
Muy importante
Igualmente para los electrones
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• Admitiendo
• 1 dimensión (solo x)
• estudio de minoritarios (huecos en zona N y
  electrones en zona P)
• campo eléctrico despreciable (E0)
• bajo nivel de inyección (siempre menos
  minoritarios que mayoritarios)

d(jp zonaN )/dx -qDp?2p/?x2
Queda
d(jn zonaP )/dx qDn?2n/?x2
?pN/?t GL-pN/?pDp?2pN/?x2 ?nP/?t
GL-nP/?nDn?2nP/?x2
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Hay que resolver la ecuación de continuidad en
este caso 0 -pN/?pDp?2pN/?x2 La solución
es pN(x) C1e-x/Lp C2ex/Lp donde Lp(Dp
?p)1/2 (Longitud de Difusión de huecos)
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Si XNgtgtLp ,entonces C20 C1pN(0)-pN(?)pN0-
pN???pN0 Por tanto
pN(x) pN????pN0-?pN?)e-x?Lp
A esta conclusión también se llega
integrando -dpN(X)/dx K2pN(x) y teniendo
en cuenta que Lp? 1/K2 , pN(?) pN sin
inyección (proceso paralelo al seguido para
calcular la evolución en el tiempo en vez de en
el espacio)
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Muy importante
Con los electrones minoritarios de una zona P
sucede lo mismo