Tema 11 Semiconductores. El diodo. -...
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Tema 11Semiconductores. El diodo.
11.1. Semiconductores.11.2. La conducción eléctrica en semiconductores.11.3. Diodos de unión p-n.11.4. Diodos Zener.11.5. Diodos foto-emisores.11.6 Otros diodos.
Fundamentos Físicos de la Informática – Curso Académico 2007-2008 Prof. Paula López Martínez
Perspectiva histórica
Microprocesador 90s(5~25 millones de transistores)
Transistor, 60s
10 Centavos
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El primer transistor (Bell Telephone Laboratories, 1947)
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El primer circuito integrado (Texas Instruments, 1958)
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Circuitos integrados actuales
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Circuitos integrados actuales
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Fabricación de un circuito integrado
Substrato de Si
drain
Substrato de Si
Capa superior protectora
Capa Metal
Capas de Aislante
Otras capas conductoras
Conductor
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Fabricación de un circuito integrado
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Modelo atómico de Rutherford
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Electrón
Núcleo
V(r) = K/r2
rr
Modelo atómico heliocéntrico de Rutherford Pozo de potencial asociado
• Modelo clásico electrostático• No explica la naturaleza onda-partícula de las partículas
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Modelo cuántico
• Explica: – El principio de incertidumbre (Heisenberg).– El principio de exclusión (Pauli).– La teoría sobre la dualidad onda-partícula (De Broglie).
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ttx
jtxxV
xtx
m ∂∂
−=+∂
∂−
),(),()(),(2 2
2 ψψψ hh
Ecuación de Schrödinger:
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Ecuación de Schrödinger
• Explica la interacción de una onda-partícula cargada con el potencial eléctrico que la rodea.
• Describe con claridad las zonas de confinamiento (dónde la onda-partícula estaría localizable), de exclusión, y los procesos de transferencia de energía que se producen en un cambio de estado.
• Representa al electrón como una función de onda distribuida en el tiempo y en el espacio, .),( tr
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ψ
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Modelo atómico de Bohr: Orbitales
CONFIGURACIONES ELECTRONICAS Z = 1 Hidrógeno H: 1s1
Z = 2 Helio He: 1s2
Z = 3 Litio Li: 1s22s1
Z = 4 Berilio Be: 1s22s2
Z = 5 Boro B: 1s22s22p1
Z = 6 Carbono C: 1s22s22p2
Z = 7 Nitrógeno N: 1s22s22p3
Z = 8 Oxígeno O: 1s22s22p4
Z = 9 Flúor F: 1s22s22p5
Z = 10 Neón Ne: 1s22s22p6
Z = 11 Sodio Na: 1s22s22p63s1
Z = 12 Magnesio Mg: 1s22s22p63s2
Z = 13 Aluminio Al: 1s22s22p63s23p1
Z = 14 Silicio Si: 1s22s22p63s23p2
etc ....12
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Estructura cristalina del Si puro
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Semiconductores
• Conductividad: facilidad conducción eléctrica– Metal: Alta conductividad. Electrones libres. Sin aporte de
energía.– Aislante: Baja conductividad. Necesario un aporte de
energía elevado para liberar un electrón.– Semiconductor: Conductividad variable en órdenes de
magnitud. Aporte energético reducido.• Control de conductividad – Fundamento de los dispositivos
electrónicos; semiconductores como elementos de control corriente/voltaje
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Tipos de semiconductores
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Tipos de semiconductores
– Elementos: Si, Ge– Compuestos III-V: AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs,
GaSb, InP, InAs, InSb– Compuestos II-VI: ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe,
CdTe, HgS– Aleaciones
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Propiedades de los SC
• Portadores– Electrones: Electrones en banda de conducción.– Huecos: Estados vacíos en banda de valencia.
• Niveles Energéticos– EC: Energía de la banda de conducción.– EV: Energía de la banda de valencia.– Eg = EC – EV: Gap energía o band-gap.
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Propiedades de los SC
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SC intrínseco
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– Número de electrones en banda conducción igual a número de huecos en banda valencia
– Concentración de portadores intrínseca ni – número de electrones por centrímetro cúbico en banda de conducción (igual a número de huecos en banda de valencia)
– ni=f(T), aumenta con la temperatura (mayor energía térmica)
A Temperatura Ambiente (T=300 K)
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SC extrínseco
• Material Extrínseco- dopado– Tipo n - átomos tipo fósforo (V), donador (de e- ). – Tipo p- átomos tipo boro (III), aceptor (de e- , genera
hueco).
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SC extrínseco tipo n
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N-type donors
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SC extrínseco tipo n
Modelo de bandas de energía:
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Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Figure 3.43 A silicon crystal doped by a pentavalent element. Each dopant atom donates a free electron and is thus called a donor. The doped semiconductor becomes n type.
SC extrínseco tipo n
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SC extrínseco tipo p
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P-type donors
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SC extrínseco tipo p
Modelo de bandas de energía:
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Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Figure 3.44 A silicon crystal doped with a trivalent impurity. Each dopant atom gives rise to a hole, and the semiconductor becomes p type.
SC extrínseco tipo p
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SC en equilibrio térmico
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( )
( )
2
/
/
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i
kTEEi
kTEEi
CFV
nnp
enp
enn
kTEEkTE
Fi
iF
=
⇓
=
=
−≤≤+
−
−
Ley de acción de masas
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La conducción eléctrica en SC
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scmDD
nqDJ
pqDJ
PN
NdifN
PdifP
/, 2
|
|
a
rr
rr
∇=
∇−=
• Corriente de difusión: Movimiento de partículas como resultado de su cambio de posición espacial.
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La conducción eléctrica en SC
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• Corriente de arrastre: Movimiento de partículas como resultado de la aplicación de un campo eléctrico.
( )
EqJEqJ
EvEv
AIJ
vnvpqAIII
narrastreNparrastreP
ndnpdp
arrastrearrastre
dndpNParrastre
μμ
μμ
==⇓
−==
=
+=+=
|| ,
,
/rrrr
rr
rrrrr
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La conducción eléctrica en SC
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NPTot
NnN
PpP
JJJ
nqDEnqJ
pqDEpqJ
rrr
rrr
rrr
+=
∇+=
∇−=
μ
μ
• Corriente total en un SC:
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Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Figure 3.39 Simplified physical structure of the junction diode. (Actual geometries are given in Appendix A.)
El diodo de unión pn
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El diodo de unión pn en equilibrio
Figure 3.45 (a) The pn junction with no applied voltage (open-circuited terminals). (b) The potential distribution along an axis perpendicular to the junction.
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Figure 3.49 The pn junction excited by a constant-current source supplying a current I in the forward direction. The depletion layer narrows and the barrier voltage decreases by V volts, which appears as an external voltage in the forward direction.
Diodos de unión pn polarizados
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Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Figure 3.1 The ideal diode: (a) diode circuit symbol; (b) i–v characteristic; (c) equivalent circuit in the reverse direction; (d) equivalent circuit in the forward direction.
Polarización directa e inversa de un diodo pn
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Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Figure 3.2 The two modes of operation of ideal diodes and the use of an external circuit to limit the forward current (a) and the reverse voltage (b).
Polarización directa e inversa de un diodo pn
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Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Figure 3.3 (a) Rectifier circuit. (b) Input waveform. (c) Equivalent circuit when vI ≥ 0. (d) Equivalent circuit when vI 0. (e) Output waveform.
Aplicaciones de los diodos de unión pn: Rectificador de ondas
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Figure 3.8 The diode i–v relationship with some scales expanded and others compressed in order to reveal details.
Curva característica de los diodos de unión pn
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Figure 3.17 Development of the diode small-signal model. Note that the numerical values shown are for a diode with n = 2.
Recta de carga
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Table 3.1 Modeling the Diode
Forward Characteristic
Modelos aproximados del diodo
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Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Table 3.1 (Continued)
Modelos aproximados del diodo
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Figure 3.20 Circuit symbol for a zener diode.
Diodo zener
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Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Figure 3.21 The diode i–v characteristic with the breakdown region shown in some detail.
Curva característica de un diodo zener
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Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Figure 3.22 Model for the zener diode.
Modelo equivalente de diodo zener
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44Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Figure 3.3 (a) Rectifier circuit. (b) Input waveform. (c) Equivalent circuit when vI ≥ 0. (d) Equivalent circuit when vI 0. (e) Output waveform.
Aplicaciones: Rectificador
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45Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Figure 3.25 (a) Half-wave rectifier. (b) Equivalent circuit of the half-wave rectifier with the diode replaced with its battery-plus-resistance model. (c) Transfer characteristic of the rectifier circuit. (d) Input and output waveforms, assuming that rD ! R.
Aplicaciones: Rectificador de media onda
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46Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Figure 3.26 Full-wave rectifier utilizing a transformer with a center-tapped secondary winding: (a) circuit; (b)transfer characteristic assuming a constant-voltage-drop model for the diodes; (c) input and output waveforms.
Aplicaciones: Rectificador de onda completa
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47Microelectronic Circuits - Fifth Edition S d /S ith
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Figure 3.27 The bridge rectifier: (a) circuit; (b) input and output waveforms.
Aplicaciones: Rectificador con puente de diodos
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Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Figure 3.29 Voltage and current waveforms in the peak rectifier circuit with CR @ T. The diode is assumed ideal.
Aplicación: Rectificación y filtrado
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49Microelectronic Circuits -Fifth Edition Sedra/Smith
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Figure 3.24 Block diagram of a dc power supply.
Aplicación: Construcción de una fuente de alimentación