(Gp:) Incremento de concentración de minoritarios debido al aumento de tensión de 60mV
Capacidades parásitas: capacidad de difusión (II) (Gp:) 1010 (Gp:) 1012 (Gp:) 1014 (Gp:) 1016 (Gp:) Portad./cm3 (Gp:) -3 (Gp:) -2 (Gp:) -1 (Gp:) 0 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 3 (Gp:) Longitud [mm] (Gp:) pP (Gp:) pNV (Gp:) nN (Gp:) nPV
(Gp:) V=180mV
Al incrementar la tensión tiene que producirse un aumento de concentración de minoritarios. Vuelve a haber una carga eléctrica dependiente de la tensión aplicada, lo que se asocia a la llamada capacidad de difusión (Gp:) V=240mV
Comportamiento dinámicamente ideal en esta escala de tiempos Transición de “a” a “b” (apagado), en una escala amplia (ms o s) (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) V1 (Gp:) V2 (Gp:) R (Gp:) i (Gp:) v (Gp:) + (Gp:) –
(Gp:) i (Gp:) v (Gp:) t (Gp:) t (Gp:) V1/R
Tiempos de conmutación (I) -V2
(Gp:) a (Gp:) b (Gp:) V1 (Gp:) V2 (Gp:) R (Gp:) i (Gp:) v (Gp:) + (Gp:) –
Tiempos de conmutación (II) Transición de “a” a “b” (apagado), en una escala detallada (?s o ns) (Gp:) i (Gp:) v (Gp:) t (Gp:) t
(Gp:) trr
(Gp:) V1/R
(Gp:) -V2/R (Gp:) ts
(Gp:) tf (i= -0,1·V2/R)
(Gp:) -V2
ts = tiempo de almacenamiento (storage time ) tf = tiempo de caída (fall time ) trr = tiempo de recuperación inversa (reverse recovery time ) Muy importante (Gp:) Pico de recuperación inversa
(Gp:) a (Gp:) b (Gp:) V1 (Gp:) V2 (Gp:) R (Gp:) i (Gp:) v (Gp:) + (Gp:) –
Tiempos de conmutación (III) ¿Por qué ocurre esto? Porque no habrá capacidad de bloqueo de tensión hasta que las concentraciones de minoritarios sean menores que las de equilibrio (Gp:) V1/R
(Gp:) v (Gp:) t (Gp:) i (Gp:) t (Gp:) pNV (Gp:) nPV (Gp:) Portad./cm3 (Gp:) 8·1013 (Gp:) 4·1013 (Gp:) 0 (Gp:) -1 (Gp:) 0 (Gp:) 1 (Gp:) Longitud [mm]
(Gp:) t0 (Gp:) t0
(Gp:) t3 (Gp:) t3
(Gp:) t1 (Gp:) t1
(Gp:) t2 (Gp:) t2
(Gp:) -V2
(Gp:) -V2/R
(Gp:) t4 (Gp:) t4
(Gp:) t0 (Gp:) t0
(Gp:) a (Gp:) b (Gp:) V1 (Gp:) V2 (Gp:) R (Gp:) i (Gp:) v (Gp:) + (Gp:) –
Tiempos de conmutación (IV) (Gp:) pNV (Gp:) nPV (Gp:) Portad./cm3 (Gp:) 8·1013 (Gp:) 4·1013 (Gp:) 0 (Gp:) -1 (Gp:) 0 (Gp:) 1 (Gp:) Longitud [mm]
(Gp:) i
td = tiempo de retraso (delay time ) tr = tiempo de subida (rise time ) tfr = td + tr = tiempo de recuperación directa (forward recovery time ) (Gp:) tr (Gp:) 0,9·V1/R (Gp:) td (Gp:) 0,1·V1/R (Gp:) tfr
Transición de “b” a “a” (encendido) (Gp:) t0 (Gp:) t0
(Gp:) t1 (Gp:) t1
(Gp:) t2 (Gp:) t2
(Gp:) t3 (Gp:) t3
(Gp:) t4 (Gp:) t4
El proceso de encendido es más próximo al ideal que el de apagado
Tensión inversa máxima que puede soportar una unión PN (I) La tensión inversa máxima que puede soportar una unión está limitada por una de estas 3 posibles causas: Perforación (punch-through) Ruptura por avalancha primaria Ruptura zener Perforación: Se produce cuando la zona de transición llega a invadir toda la zona neutra al polarizar inversamente. En estas condiciones la unión ya no es capaz de soportar tensión inversa sin conducir.
(Gp:) (Gp:) 0 (Gp:) i (Gp:) V
Ruptura por avalancha primaria: Como se comentó en ATE-UO PN 66, la corriente inversa aumenta fuertemente si se producen pares electrón-hueco adicionales por choque. El fenómeno se vuelve degenerativo si la intensidad del campo eléctrico aumenta suficientemente. Tensión inversa máxima que puede soportar una unión PN (II) El coeficiente de temperatura en este caso es positivo (al aumentar la temperatura aumenta la tensión de ruptura.) (Gp:) i (Gp:) + V – (Gp:) P (Gp:) N (Gp:) + – (Gp:) – + (Gp:) + – (Gp:) + –
(Gp:) +
(Gp:) –
(Gp:) +
(Gp:) –
(Gp:) +
(Gp:) –
Ruptura Zener: Dopando muy fuertemente ambas zonas se puede conseguir que LZT0 sea muy pequeña (< 10-6 cm) y Emax0 muy grande (»106 volt/cm). En estas condiciones, con tensiones inversas pequeñas (»5 voltios) se puede dar la ruptura de la unión al producirse conducción inversa por efecto tunel. Esto hay que explicarlo con el diagrama de bandas Tensión inversa máxima que puede soportar una unión PN (III) (Gp:) ?·(NA+ND) (Gp:) Emax0= (Gp:) 2·q·NA·ND·V0
(Gp:) LZT0 = (Gp:) 2·?·(NA+ND)·V0 (Gp:) q·NA·ND
Valores de la longitud de la zona de transición LZTO y del campo eléctrico máximo Emax0 sin polarizar (ver ATE-UO PN 24): El coeficiente de temperatura en este caso es negativo (al aumentar la temperatura disminuye la tensión de ruptura)
Tensión inversa máxima que puede soportar una unión PN (IV) Comparación entre ruptura por avalancha y ruptura zener (I) Similitudes: Pueden provocar la destrucción de la unión por aumento de temperatura al disiparse una fuerte potencia En ambos casos, la tensión inversa máxima Vmax (es decir V = -Vmax, siendo Vmax>0) depende del campo eléctrico aplicado que provoca la ruptura, Erup (Gp:) Erup= (Gp:) ?·(NA+ND) (Gp:) 2·q·NA·ND·(V0+Vmax) (Gp:) » (Gp:) ?·(NA+ND) (Gp:) 2·q·NA·ND·Vmax
Por tanto: Vmax » E2rup·?·(NA+ND)/[2·q·NA·ND]
Tensión inversa máxima que puede soportar una unión PN (V) Comparación entre ruptura por avalancha y ruptura zener (II) Diferencias: Coeficiente de temperatura positivo en el caso de la ruptura por avalancha y negativo en el caso ruptura zener ¿Cuándo se produce cada una? Para el Si: si la tensión a la que se produce la ruptura es menor de 4,5 voltios, la ruptura es tipo zener; si es mayor que 9 voltios, es tipo avalancha; a tensiones entre 4,5 y 9 voltios es mixta Para el Ge: lo mismo pero con 2,7 y 5,4 voltios Consecuencia importante: a tensiones intermedias (»6 voltios en Si) la tensión de ruptura varía poco con la temperatura
Son diodos diseñados para trabajar en zona de ruptura, cualquiera que sea la causa de ésta (zener o avalancha). (Gp:) i (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) V (Gp:) i (Gp:) V (Gp:) 0 (Gp:) Curva característica
(Gp:) Símbolo
(Gp:) V? (Gp:) pend.=1/rd
(Gp:) VZ (Gp:) pendiente=1/rZ
Diodos zener (I) VZ = tensión zener o de ruptura rZ = resistencia zener
Curva característica asintótica (Gp:) i (Gp:) V (Gp:) 0 (Gp:) i (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) V
Diodos zener (II) (Gp:) A (Gp:) K
(Gp:) Circuito equivalente asintótico
(Gp:) V? (Gp:) rd (Gp:) ideal (Gp:) A (Gp:) K
(Gp:) VZ (Gp:) rZ (Gp:) ideal
(Gp:) V? (Gp:) pend.=1/rd (Gp:) VZ (Gp:) pend.=1/rZ
Curva característica (Gp:) i (Gp:) V (Gp:) 0 (Gp:) i (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) V
Diodos zener (III) (Gp:) A (Gp:) K
(Gp:) VZ
(Gp:) Circuito equivalente
(Gp:) A (Gp:) K (Gp:) ideal
Diodo zener ideal (Gp:) VZ (Gp:) ideal
Diodos zener (IV) (Gp:) i (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) V (Gp:) i (Gp:) V (Gp:) 0 (Gp:) VZ
Circuito estabilizador con zener Aplicaciones de los diodos zener (I) (Gp:) VB (Gp:) RS (Gp:) Fuente de tensión real
(Gp:) RL (Gp:) R1 (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) VRL
(Gp:) Si se diseña para que el punto de trabajo del zener esté en la zona de ruptura (zona zener), la tensión en el zener (y por tanto en la carga RL) será constante
Queremos que VRL sea constante Muy importante
(Gp:) vs
(Gp:) t
Diodos zener (V) Circuitos limitadores de tensión Aplicaciones de los diodos zener (II) Queremos que Vs esté acotada entre +VZ1 y -VZ2 Muy importante (Gp:) salida de un circuito (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) ve
(Gp:) R1 (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vs (Gp:) VZ1 (Gp:) VZ2
(Gp:) ve
(Gp:) VZ1 (Gp:) -VZ2
Efecto conocido ya: la zona de transición en la zona P+ es mucho más estrecha que en la zona N- Análisis a realizar: ¿qué ocurre con las componentes de corriente de huecos y de electrones? (Gp:) pP (Gp:) pNV
(Gp:) nN (Gp:) nPV
(Gp:) -0,3 (Gp:) -0,2 (Gp:) -0,1 (Gp:) 0 (Gp:) 0,1 (Gp:) 0,2 (Gp:) 0,3 (Gp:) Longitud [mm] (Gp:) 104 (Gp:) 1012 (Gp:) 1016 (Gp:) Portad./cm3 (Gp:) 108 (Gp:) Escala logarítmica
(Gp:) ?p=100 ns (Gp:) NA=1015 atm/cm3 (Gp:) Lp=0,01 mm (Gp:) ?n=100 ns (Gp:) ND=1013 atm/cm3 (Gp:) Ln=0,02 mm (Gp:) Unión de Si P+N- (Gp:) V0=0,477 volt. (Gp:) V=0,3 volt.
Unión dopada asimétricamente (Unión P+N-) (I)
Unión dopada asimétricamente (Unión P+N-) (II) (Gp:) nP
(Gp:) pN
(Gp:) Unión
(Gp:) Gradiente muy grande
(Gp:) Gradiente muy pequeño
(Gp:) 1012 (Gp:) 0.5·1012 (Gp:) 0 (Gp:) -0,3 (Gp:) -0,2 (Gp:) -0,1 (Gp:) 0 (Gp:) 0,1 (Gp:) 0,2 (Gp:) 0,3 (Gp:) Longitud [mm] (Gp:) Portad./cm3 (Gp:) Escala lineal, sólo minoritarios
(Gp:) Calculamos las densidades de corriente de cada tipo de portador. (Gp:) 3·10-3 (Gp:) 2·10-3 (Gp:) 10-3 (Gp:) 0 (Gp:) -0,3 (Gp:) -0,2 (Gp:) -0,1 (Gp:) 0 (Gp:) 0,1 (Gp:) 0,2 (Gp:) 0,3 (Gp:) Longitud [mm] (Gp:) Densidad de corriente [A/cm2]
(Gp:) jp
(Gp:) jn
(Gp:) Zona P (Gp:) Zona N
¡Ojo con la escala!
Unión dopada asimétricamente (Unión P+N-) (III) (Gp:) 3·10-3 (Gp:) 2·10-3 (Gp:) 10-3 (Gp:) 0 (Gp:) -0,3 (Gp:) -0,2 (Gp:) -0,1 (Gp:) 0 (Gp:) 0,1 (Gp:) 0,2 (Gp:) 0,3 (Gp:) Longitud [mm] (Gp:) Densidad de corriente [A/cm2] (Gp:) jp (Gp:) jn (Gp:) Zona P (Gp:) Zona N
(Gp:) jn (Gp:) -1,5 (Gp:) -1 (Gp:) -0,5 (Gp:) 0 (Gp:) 0,5 (Gp:) 1 (Gp:) 1,5 (Gp:) Longitud [?m] (Gp:) 3·10-3 (Gp:) 2·10-3 (Gp:) 10-3 (Gp:) 0 (Gp:) Densidad de corriente [A/cm2] (Gp:) jp (Gp:) Zona P (Gp:) Zona N (Gp:) Unión (Gp:) jTotal
Muy, muy importante (Gp:) La corriente que atraviesa la unión se debe fundamentalmente al mayoritario de la zona muy dopada
¡Ojo con las escalas!
La solución a la ecuación de continuidad es: pN’(x) = C1·e-x/Lp + C2·ex/Lp Si XN>>Lp (unión “larga”), entonces: pN(x) = pN??+??pN0-?pN?)·e-x?Lp Uniones “largas” y “no largas” (I) (Gp:) x (Gp:) XN (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) N (Gp:) P (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) pN(x) (Gp:) pN? (Gp:) pN0 (Gp:) x
¿Qué pasa si la unión no es larga? Recordatorio (una vez más)
Si no se cumple XN>>Lp (unión “ no larga”), y además pN(0)=pN0 y pN(XN)=pN?? entonces: Uniones “largas” y “no largas” (II) (Gp:) pN(x) = pN??+?(pN0- pN?)· (Gp:) senh ((XN-x)/Lp) (Gp:) senh (XN/Lp)
Si XN< < Lp (“unión corta”) entonces: senh (a) » a y, por tanto: pN(x) = pN??+ (pN0- pN?)·(XN-x)/XN (Gp:) XN (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) +
(Gp:) pN(x) (Gp:) pN? (Gp:) pN0 (Gp:) x (Gp:) XN
Muy importante Recordatorio (una vez más) La concentración de minoritarios disminuye linealmente (es una recta)
(Gp:) pN(x) (Gp:) pN? (Gp:) pN0 (Gp:) x (Gp:) XN
(Gp:) jpN
Uniones cortas Como: pN(x) = pN?+(pN0- pN?)·(XN-x)/XN jpN = -q·Dp·dpN/dx = q·Dp·(pN0- pN?)/XN
Si comparamos este resultado con el de las uniones largas (jpN = q·Dp·(pN0- pN?)/Lp), lo que cambia es el denominador La corriente total será: I = IS·(eV/VT -1) donde: IS = A·q·ni2·[Dp/(ND·XN)+Dn/(NA·XP)]
Muy importante En una unión larga era: IS = A·q·ni2·[Dp/(ND·Lp)+Dn/(NA·Ln)]
Las fórmulas son iguales, salvo en que hay que cambiar las longitudes de difusión por las longitudes de las zonas
(Gp:) Longitud (Gp:) jtotal (Gp:) jpN (Gp:) jpP (Gp:) jnN (Gp:) jnP (Gp:) 0
(Gp:) Longitud (Gp:) pN (Gp:) nP (Gp:) 0 (Gp:) concentración de minoritarios
(Gp:) Longitud (Gp:) pN (Gp:) nP (Gp:) 0 (Gp:) concentración de minoritarios
(Gp:) jtotal (Gp:) Longitud (Gp:) jpN (Gp:) jpP (Gp:) jnN (Gp:) jnP (Gp:) 0
Uniones largas comparadas con las cortas (I) (Gp:) V (Gp:) Zona P (Gp:) jtotal (Gp:) Zona N (Gp:) Unión larga
(Gp:) V (Gp:) Zona P (Gp:) jtotal (Gp:) Zona N (Gp:) Unión corta
La responsabilidad de la conducción de corriente cambia entre huecos y electrones a lo largo del cristal La responsabilidad de la conducción de corriente no cambia a lo largo del cristal
Uniones largas comparadas con las cortas (II) (Gp:) Longitud (Gp:) pN (Gp:) nP (Gp:) 0 (Gp:) concentración de minoritarios (Gp:) V (Gp:) Zona P (Gp:) Zona N (Gp:) Unión larga (Gp:) 100mm
(Gp:) V (Gp:) Zona P (Gp:) Zona N (Gp:) Unión corta (Gp:) Longitud (Gp:) pN (Gp:) nP (Gp:) 0 (Gp:) concentración de minoritarios (Gp:) 1mm
Corta zona neutra Þ baja resistencia, pero peligro de perforación (punch-through) Larga zona neutra Þ alta resistencia, pero sin peligro de perforación (punch-through) (Gp:) Área grande Þ alto tiempo de recuperación (unión lenta)
(Gp:) Área pequeña Þ bajo tiempo de recuperación (unión rápida)
Los diodos de alta tensión son lentos y tienen más resistencia dinámica ¡Ojo con las escalas!
Diodos PIN (P-intrínseco-N) (Gp:) Zona P+
(Gp:) Zona N+
(Gp:) Zona intrínseca
(Gp:) P+ (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) N+ (Gp:) I
(Gp:) -EmaxO (Gp:) Campo eléctrico (Gp:) E(x) (Gp:) x
(Gp:) Densidad de carga (Gp:) ?(x) (Gp:) x (Gp:) -q·NA (Gp:) q·ND
Alta capacidad de soportar tensión inversa Baja resistencia con polarización directa por “modulación de la conductividad” (fenómeno no explicado aquí) (Gp:) campo máximo si fuera PN
Se emplean en electrónica de potencia y en microondas (como atenuadores y conmutadores)
La unión PN puede: Ser sensible a la luz ??fotodiodos y células solares Emitir luz??? Diodos Emisores de Luz (LED) Efectos ópticos en la unión PN (I) (Gp:) 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 (Gp:) Longitud de onda [micras]
(Gp:) 2,5 2 1,8 1,6 1,4 (Gp:) Energía de un fotón [eV]
Longitud de onda de la luz y energía de un fotón (Gp:) GaAs1-xPx (Gp:) GaAs (Gp:) SiC (Gp:) CdS (Gp:) Si (Gp:) Anchos de banda prohibida (“gaps”) de semiconductores
Para que un fotón genere un par electrón hueco, su energía debe ser mayor o igual que la energía correspondiente al ancho de la banda prohibida (“gap”). El proceso es más complejo en la realidad Efectos ópticos en la unión PN (II) (Gp:) Energía (Gp:) Eg (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) +
(Gp:) –
(Gp:) Luz
El proceso es, en cierta medida, reversible. Sin embargo, para que una recombinación electrón hueco genere radiación de una manera efectiva, el semiconductor debe ser “de tipo directo” En ellos, las recombinaciones no implican cambio de la cantidad de movimiento de los electrones y de los huecos En los de “tipo indirecto” la recombinación requiere un cambio de la cantidad de movimiento, lo que implica choques y vibraciones en la red (producción de “fonones”). El resultado final es poca emisión de radiación y, por el contrario, generación de calor (Gp:) Energía (Gp:) Eg (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) +
(Gp:) –
(Gp:) Luz
(Gp:) P
Efecto fotovoltaico (I) Los pares electrón-hueco generados modifican las condiciones de equilibrio térmico de la unión. Se llegará a otras condiciones de equilibrio distintas. Por ejemplo, con la unión en circuito abierto, disminuirá la anchura de la zona de transición y el campo eléctrico y la tensión en ella. Esto significa que aparecerá tensión directa en los contactos metálicos, ya que es la misma situación que teníamos cuando aplicábamos tensión directa externa (Gp:) N
+ – + – (Gp:) +
(Gp:) –
+ – (Gp:) Luz (Eluz = h·n)
Calculamos el exceso de minoritarios en ambas zonas en condiciones estáticas según la ecuación de continuida: 0 = GL-pN’/?p+Dp·?2pN’/?x2 0 = GL-nP’/?n+Dn·?2nP’/?x2 Suponiendo la unión larga, si repetimos la obtención de la ecuación característica, se obtiene: i = IS·(eV/VT -1) – Iopt
siendo: Iopt = q·A·GL·(Lp+Ln)
Efecto fotovoltaico (II) (Gp:) i
(Gp:) Iopt
(Gp:) + (Gp:) – (Gp:) V (Gp:) IS(eV/VT -1)
(Gp:) Comportamiento como fotodiodo
(Gp:) Comportamiento como célula fotovoltaica o célula solar
(Gp:) sin luz (Gp:) GL=0
(Gp:) GL1
(Gp:) GL2
(Gp:) GL3
(Gp:) v (Gp:) P (Gp:) N (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) i (Gp:) V (Gp:) i
Efecto fotovoltaico (III) (Gp:) Luz
i = IS·(eV/VT -1) – Iopt Iopt = q·A·GL·(Lp+Ln)
(Gp:) ¡¡Ojo!! la variación de temperatura no genera operación en el cuarto cuadrante (Gp:) i (Gp:) V
(Gp:) T1
(Gp:) T2
(Gp:) ¡¡La operación en el cuarto cuadrante significa generación de energía!!
Como Iopt = q·A·GL·(Lp+Ln), Lp = (Dp·?p)1/2 y Ln = (Dn·?n)1/2, interesa que ?p y ?n sean grandes para que Iopt sea grande Para conseguirlo, debe haber pocos “centros de recombinación”, lo que implica cristales muy puros Células fotovoltaicas o solares (Gp:) 0 (Gp:) i (Gp:) v (Gp:) VCA (Gp:) iCC
(Gp:) P = v·i = cte.
(Gp:) Pmax
(Gp:) Punto de máxima potencia. Interesa que la célula solar trabaje en este punto
(Gp:) N+ (Gp:) P (Gp:) – – – – – – – – – – – – – – – – – – (Gp:) + + + + + + + + + + + + + +`+ + + + (Gp:) seccción A (Gp:) Célula solar
(Gp:) Luz
Paneles fotovoltaicos o solares (I) Son agrupaciones de células solares (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) Iopt (Gp:) + (Gp:) –
Paneles fotovoltaicos o solares (II) (Gp:) Células solares
(Gp:) Paneles solares en aplicaciones terrestres
(Gp:) Paneles solares en satélites de comunicaciones y en aplicaciones espaciales en general
Fotodiodos (I) (Gp:) Símbolo (Gp:) A (Gp:) K
(Gp:) sin luz (Gp:) GL=0 (Gp:) GL1 (Gp:) GL2 (Gp:) GL3 (Gp:) v (Gp:) i (Gp:) zona de uso
Sensibilidad: corriente que circula dividido por potencia aplicada La energía es menor cuanto mayor es la longitud de onda (menor frecuencia). Sin embargo, sea cual sea la frecuencia de la radiación, siempre que se rompe un enlace se genera un par electrón hueco y, por tanto, la misma corriente. Por ello, el fotodiodo es “más sensible” a las frecuencias más bajas (misma corriente para menos energía por unidad de tiempo) (Gp:) 0 (Gp:) Longitud de onda, ? (nm) (Gp:) 0 (Gp:) 400 (Gp:) 800 (Gp:) 1200 (Gp:) 1,0 (Gp:) 0,8 (Gp:) 0,6 (Gp:) 0,4 (Gp:) 0,2 (Gp:) Sensibilidad (A/W) (Gp:) Límite teórico (Gp:) Ej. real S1337 (Si) (Gp:) l máxima compatible con Si (1110nm)
(Gp:) i (Gp:) VR (Gp:) t (Gp:) t
Fotodiodos (II) Uso como fotodetector (Gp:) V1 (Gp:) R (Gp:) i (Gp:) VR (Gp:) + (Gp:) –
(Gp:) sin luz (Gp:) GL=0 (Gp:) GL1 (Gp:) GL2 (Gp:) GL3 (Gp:) v (Gp:) i
(Gp:) -V1/R (Gp:) Recta de carga (Gp:) -V1
(Gp:) Luz
Cuando hay luz sube la tensión en R (y por tanto baja en el fotodiodo)
Fotodiodos (III) Mejoras en fotodiodos: Uso de estructuras PiN para conseguir zonas de transición anchas, de amplitud bien controlada en la fabricación y cercanas a la superficie donde incide la luz. Además, las capacidades parásitas son más pequeñas (regiones de carga espacial separadas), por lo que son más rápidos
Foto diodos de avalancha (APD): son fotodiodos diseñados para trabajar polarizados al comienzo de su zona de avalancha, de tal forma que los pares electrón hueco generados por los fotones se aceleran y generan otros pares electrón hueco por choque
También hay otros tipos de fotodiodos basados en otros principios: – fotodiodos Schottky (basados en uniones metal semiconductor). Son más, lentos pero más sensibles al ultravioleta – fotodiodos de “heterounión” (uniones entre distintos tipos de semiconductor) (Gp:) 0 (Gp:) i (Gp:) V (Gp:) Avalancha
(Gp:) Longitud (Gp:) jtotal (Gp:) jpN (Gp:) jpP (Gp:) jnN (Gp:) jnP (Gp:) 0 (Gp:) Longitud (Gp:) pN (Gp:) nP (Gp:) 0 (Gp:) concentración de minoritarios (Gp:) Unión larga en polarización directa
(Gp:) Longitud (Gp:) pN (Gp:) nP (Gp:) 0 (Gp:) concentración de minoritarios (Gp:) jtotal (Gp:) Longitud (Gp:) jpN (Gp:) jpP (Gp:) jnN (Gp:) jnP (Gp:) 0 (Gp:) Unión corta en polarización directa
No llegan al contacto metálico de la zona N la misma cantidad de huecos que partían del contacto metálico de la zona P. Luego hay recombinaciones a lo largo de las zonas neutras Llegan al contacto metálico de la zona N la misma cantidad de huecos que partían del contacto metálico de la zona P. Luego no hay recombinaciones a lo largo de las zonas neutras Diodos Emisores de Luz (I)
¿En qué se manifiesta la energía liberada en las recombinaciones? En el Ge y en el Si las recombinaciones producen, esencialmente, calor, ya que son semiconductores de tipo indirecto En compuestos III-V pueden producir radiación luminosa, ya que la mayoría son semiconductores de tipo directo Compuestos GaAs1-xPx (siendo 0< x< 1) sirven para generar radiación desde el infrarrojo (GaAs, Eg=EC-EV=1,43 eV) al verde (GaP, Eg=2,26 eV). Con x=0,4 es rojo (Eg=1,9 eV)
(Gp:) Símbolo (Gp:) A (Gp:) K
Diodos Emisores de Luz (II) Los dispositivos basados en este principio reciben el nombre de Light Emitting Diodes (LED)
(Gp:) 0 (Gp:) Longitud (Gp:) Zona P (Gp:) Zona N
(Gp:) in
(Gp:) ip
(Gp:) b (Gp:) a (Gp:) V1 (Gp:) R (Gp:) i
(Gp:) i (en b)
(Gp:) i (en a)
Diodos Emisores de Luz (III) Cuando el interruptor pasa de “a” a “b”, el diodo LED queda polarizado directamente En cada sección del cristal hay distinto porcentaje de corriente de huecos y de electrones, lo que significa que hay recombinaciones en el proceso de conducción Algunas de estas recombinaciones generan luz
Diodos Emisores de Luz (IV) ¿Cómo es el espectro de la luz generada por un LED? (I) Está directamente relacionado con el “salto energético” que tiene que dar un electrón para recombinarse con un hueco Si todos los huecos y todos los electrones estuvieran separados por el mismo “salto energético”, la radiación sería exactamente monocromática
La situación real no es ésta, ya que la colocación de los electrones en la banda de conducción y de los huecos en la banda de valencia depende de la densidad de estados y de la temperatura (a través de la distribución de Fermi-Dirac) El resultado final es que la máxima cantidad de huecos y de electrones se encuentra a kT/2 de los bordes de las bandas (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) Eg
(Gp:) kT/2 (Gp:) kT/2
kT/2 = 0,013 eV a 300 K
Diodos Emisores de Luz (V) (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) Eg
(Gp:) kT/2 (Gp:) kT/2
(Gp:) Eg+kT (Gp:) Energía hn (Gp:) Intensidad relativa (Gp:) Eg
¿Cómo es el espectro de la luz generada por un LED? (II) Valores posibles: Eg = 1,9 eV kT = 0,026 eV
(Gp:) A (Gp:) K (Gp:) Diodo LED
(Gp:) a (Gp:) c (Gp:) b (Gp:) d (Gp:) f (Gp:) e (Gp:) g (Gp:) p.d. (Gp:) Numeración de los “8” segmentos
(Gp:) Indicador de “displays” de 7 segmentos
(Gp:) “Display” de 7 segmentos
Diodos Emisores de Luz (VI)
(Gp:) a (Gp:) c (Gp:) b (Gp:) d (Gp:) f (Gp:) e (Gp:) g (Gp:) p.d.
Diodos Emisores de Luz (VII) (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) c (Gp:) d (Gp:) e (Gp:) f (Gp:) g (Gp:) p. d. (Gp:) Común (Gp:) “Display” de 7 segmentos de ánodo común
(Gp:) a (Gp:) b (Gp:) c (Gp:) d (Gp:) e (Gp:) f (Gp:) g (Gp:) p. d. (Gp:) Común (Gp:) “Display” de 7 segmentos de cátodo común
Multiplexado de “displays” de LEDs (I) (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) c (Gp:) d (Gp:) e (Gp:) f (Gp:) g (Gp:) p. d. (Gp:) Común
“Display” de 7 segmentos de ánodo común (Gp:) D1 (Gp:) D2 (Gp:) D3 (Gp:) D4 (Gp:) D5 (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) c (Gp:) d (Gp:) e (Gp:) f (Gp:) g (Gp:) p.d.
(Gp:) V1 (Gp:) R
Vamos cambiando simultáneamente el conexionado de los segmentos (a, b, c,…, g) y de los “displays” de un dígito (D1, D2, …, D5)
Multiplexado de “displays” de LEDs (I) D1 D2 D3 D4 D5 (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) c (Gp:) d (Gp:) e (Gp:) f (Gp:) g (Gp:) p.d.
El efecto óptico es como si todos los LEDs estuvieran encendidos al mismo tiempo
Existen 4 posibilidades dependiendo de la naturaleza del metal y del semiconductor (de la “función de trabajo” del metal y del semiconductor): Caso 1: El semiconductor N cede electrones al metal Introducción a los contactos metal-semiconductor (I) (Gp:) Zona N (Gp:) Metal (Gp:) N
(Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) N
(Gp:) Iones del donador (Gp:) Electrones (película estrecha)
¿Por qué el semiconductor, que tiene menos electrones que el metal, le cede electrones? Aplazamos la respuesta
Introducción a los contactos metal-semiconductor (II) (Gp:) Zona P (Gp:) Metal (Gp:) P
(Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) P
(Gp:) Iones del aceptador (Gp:) Falta de electrones (película estrecha)
Caso 2: El semiconductor P roba electrones al metal En los casos 1 y 2 se crea una zona de transición en el semiconductor. En ambos casos se forman las llamadas “uniones rectificadoras” o “contactos rectificadores” Esta opción sí parece lógica
Caso 3: El semiconductor N roba electrones al metal Intr. a los contactos metal-semiconductor (III) (Gp:) Zona N (Gp:) Metal (Gp:) N
(Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) –
(Gp:) Electrones (película estrecha) (Gp:) Falta de electrones (película estrecha)
Caso 4: El semiconductor P cede electrones al metal (Gp:) Zona P (Gp:) Metal (Gp:) P
(Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) –
(Gp:) Electrones (película estrecha) (Gp:) Huecos (película estrecha)
En ambos casos se forman los llamados “contactos óhmicos” o “no rectificadores” Esta opción sí parece lógica Esta opción no parece lógica
Intr. a los contactos metal-semiconductor (IV) ¿Por qué el semiconductor, que tiene menos electrones que el metal, puede cederle electrones al metal? La respuesta es que el trasvase inicial de electrones no sólo va a depender de la concentración de electrones en ambas partes, sino también de la facilidad que tengan los electrones de “escaparse” de la red cristalina (no de desplazarse por ella) Esta facilidad de “escaparse” de la red cristalina y de pasar al otro material no depende de su energía relativa con relación a los electrones de otra parte de la misma red, sino de si su energía relativa a los electrones del otro material Es preciso relacionar las energías medias de los electrones en el metal y en el semiconductor, lo que se mide con la llamada “función de trabajo”, que mide la energía necesaria para arrancar un electrón de “energía media” del semiconductor (función de trabajo del semiconductor) y del metal (función de trabajo del metal) Algo similar ocurre cuando se realizan uniones con semiconductores distintos (heterouniones) en vez de con el mismo semiconductor (homouniones) El estudio riguroso se realiza mediante diagramas de banda
Contactos metal-semiconductor. Caso 1 (el semiconductor N cede electrones al metal) La longitud de la zona de transición, el campo eléctrico y la capacidad de transición se calculan como en una unión PN con la zona P infinitamente dopada (Gp:) ? (Gp:) Emax0= (Gp:) 2·q·ND·V0
(Gp:) 2·?·V0 (Gp:) LZT0= (Gp:) q·ND
(Gp:) Ctrans0 = A· (Gp:) 2·V0 (Gp:) ?·q·ND
(Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) – (Gp:) N (Gp:) LZTO (Gp:) Metal
Sin embargo, para calcular la tensión de contacto y las corrientes al polarizar, habría que realizar un estudio riguroso con diagramas de bandas Es un caso “unión rectificadora” (hay zona de transición en el semiconductor)
Los casos 1 y 2 dan origen a un comportamiento de tipo “unión semiconductora” (existe barrera de potencial que evita la difusión y cuya altura se controla con la tensión exterior aplicada), dando origen a los diodos Schottky Características Menor caída de tensión en conducción que un diodo de unión Mayor rapidez de conmutación (los minoritarios no intervienen en la conducción) Mayor corriente inversa Menor tensión inversa máxima (Gp:) Símbolo
Diodos Schottky Muy importante
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