Presentacion 3

ECUACIONES BÁSICAS DE OPERACIÓN DE LOS COMPONENTES SEMICONDUCTORES, DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES BIPOLARES

Jehan Ramírez Díaz, C.I 18566300, Nº de Lista 28

ECUACIONES DE MAXWELL PARA UN MEDIO ISÓTROPO HOMOGÉNEO Para el caso de que las cargas estén en medios materiales, y asumiendo que éstos son lineales, homogéneos, isótropos y no dispersivos, podemos encontrar una relación entre los vectores intensidad e inducción a través de dos parámetros conocidos como permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética:

Pero estos valores también dependen del medio material, por lo que se dice que un medio es lineal cuando la relación entre E/D y B/H es lineal. Si esta relación es lineal, matemáticamente se puede decir que y μ están representadas por una matriz 3x3. Si un medio es isótropo es porque esta matriz ha podido ser diagonalizada y consecuentemente es equivalente a una función ; si en esta diagonal uno de los elementos es diferente al otro se dice que es un medio anisótropo. Estos elementos también son llamados constantes dieléctricas y, cuando estas constantes no dependen de su posición, el medio es homogéneo.

ECUACIONES DE MAXWELL PARA UN MEDIO ISÓTROPO HOMOGÉNEO El valor de y μ en medios lineales no dependen de las intensidades del campo. Por otro lado, la permitividad y la permeabilidad son escalares cuando las cargas están en medios homogéneos e isótropos. Los medios heterogéneos e isótropos dependen de las coordenadas de cada punto por lo que los valores, escalares, van a depender de la posición. Los medios anisótropos son tensores. Finalmente, en el vacío tanto como son cero porque suponemos que no hay fuentes. En la siguiente tabla encontramos a las ecuaciones como se las formula en el vacío y en la forma mas general

ECUACIONES DE DE CORRIENTE

DENSIDAD

Para los semiconductores se define una ecuación para la densidad de corriente la cual es la suma de la densidad de huecos mas la densidad de electrones. Esta ecuación esta dada por:

ECUACIONES DE CONTINUIDAD Otra ecuación que es muy importante para entender el funcionamiento de los semiconductores es la ecuación de continuidad que está muy ligada con la de densidad de corriente.

LA UNIÓN PN TÉCNICAS DE FABRICACIÓN Existen diversos métodos de fabricación de uniones pn. Entre los mas conocidos tenemos: unión de aleación, unión tipo mesa difundida, unión de plana difundida sobre sustrato epitaxial, Implantación iónica, etc. En al siguiente figura se explica el método de implantación iónica.

LA UNIÓN PN TÉCNICAS DE FABRICACIÓN

LA UNIÓN PN TÉCNICAS DE FABRICACIÓN También se pueden ver los procesos de fabricación de uniones por medio de otras técnicas como son:

LA UNIÓN PN TÉCNICAS DE FABRICACIÓN

LA UNIÓN PN REGIÓN DE VACIAMIENTO Y CAPACITANCIA DE LA UNIÓN Al haber una repulsión mutua, los electrones libres en el lado n se dispersan en cualquier dirección. Algunos electrones libres se difunden y atraviesan la unión, cuando un electrón libre entra en la región p se convierte en un portador minoritario y el electrón cae en un hueco, el hueco desaparece y el electrón libre se convierte en electrón de valencia. Cuando un electrón se difunde a través de la unión crea un par de iones, en el lado n con carga positiva y en el p con carga negativa. Las parejas de iones positivo y negativo se llaman dipolos, al aumentar los dipolos la región cerca de la unión se vacía de portadores y se crea la llamada “Región de Vaciamiento". La acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la

LA UNIÓN PN REGIÓN DE VACIAMIENTO Y CAPACITANCIA DE LA UNIÓN Al detenerse el flujo de portadores de un material al otro debido a la fuerza que ejerce la región de vaciamiento, la región actúa como un dieléctrico que no permite el paso de portadores y los iones, tanto positivos como negativos, crean un campo eléctrico E en dicha unión lo cual hace que aparezca una capacitancia. En la siguiente figura se observan los gráficos de dichos eventos.

LA UNIÓN PN REGIÓN DE VACIAMIENTO Y CAPACITANCIA DE LA UNIÓN

LA UNIÓN PN UNÍON LINEAL Al observar las distintas relaciones que se pueden dar en la unión pn, notamos que estas se dan en forma lineal. Por ejemplo a medida que aumenta la distancia entre la unión y la región de vaciamiento, aumenta también la distribución de carga espacial, a medida que nos acercamos mas a la unión aumenta el valor de la distribución del campo eléctrico. Mientras mayor sea la distancia entre un extremo de la región de vaciamiento y el otro, mayor será el valor del potencial. Finalmente se ve que en el diagrama de banda de energía también se da que la unión es lineal.

LA UNIÓN PN UNÍON LINEAL

LA UNIÓN PN CURVA CARACTERÍSTICA. CORRIENTE TENSION. Tensión umbral (Vv): la tensión umbral de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente. Corriente máxima (Imax ): es la intensidad de corriente máxima que puede conducir la unión sin fundirse por el efecto Joule. Corriente inversa de saturación (Is): es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.

LA UNIÓN PN CURVA CARACTERÍSTICA. CORRIENTE TENSION.

LA UNIÓN PN PROCESOS DE GENERACIÓN Y RECOMBINACIÓN. Al describir el concepto de electrón y hueco en los apartados anteriores ligamos su existencia al hecho por el cual un electrón gana energía suficiente para liberarse del átomo al que estaba ligado. Precisando un poco más se dice que un electrón gana energía suficiente para promocionarse de la banda de valencia a la banda de conducción, y de forma más breve aún, se ha generado un par electrón-hueco (par eh). El proceso inverso también existe y un electrón libre puede ser capturado por un hueco (enlace vacío) de la red. Se dice entonces que se ha producido una recombinación de un par eh. Estos procesos ocurren continuamente de forma dinámica en un semiconductor. Pero si un semiconductor se encuentra en equilibrio (aislado del exterior) el número de procesos de generación por unidad de tiempo tiene que ser igual al número de procesos de recombinación. O sea, que la población de electrones y huecos permanece constante. Existen varios procesos de recombinación/generación (procesos en los que un electrón puede ganar o perder energía para intercambiarse entre la banda de valencia y

LA UNIÓN PN PROCESOS DE GENERACIÓN Y RECOMBINACIÓN.

LA UNIÓN PN LA CONDICIÓN DE ALTA INYECCIÓN Se dice que cuando se da una alta inyección de portadores la corriente no crece de exponencialmente de forma indefinida y que existen caídas de tensión en zonas neutras.

LA UNIÓN PN CAPACITANCIA DE DIFUSIÓN Cuando se trata de operaciones a bajas frecuencias los elementos electrónicos no tienen ningún problema y no hay necesidad de tener consideraciones especiales en cuanto a la respuesta del dispositivo, pero a altas frecuencias de conmutación, los dispositivos electrónicos pueden presentar conflictos debido a los tiempos de reacomodación de los portadores cuando se cambia de polaridad, el movimiento de cargas de un lado a otro implica capacidades parásitas inherentes al semiconductor y que por lo tanto afectan su comportamiento dependiendo de la frecuencia. Como se trata de un desplazamiento y acumulación de cargas eléctricas el efecto que se percibe es un efecto capacitivo en la región de la juntura. En la región de polarización

LA UNIÓN PN CAPACITANCIA DE DIFUSIÓN

RUPTURA DE LA UNIÓN EFECTO TÚNEL Este efecto se da en uniones muy dopadas. Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando la unión esté muy dopada, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o

RUPTURA DE LA UNIÓN EFECTO TÚNEL

RUPTURA DE LA UNIÓN MULTIPLICACIÓN POR AVALANCHA Este efecto se da en uniones poco dopadas. En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.

RUPTURA DE LA UNIÓN MULTIPLICACIÓN POR AVALANCHA

RESPUESTA TRANSISTORIA Y RUIDO

RESPUESTA TRANSISTORIA Y RUIDO •El término “Ruido” está relacionado con las fluctuaciones espontáneas durante la circulación de la corriente o de las caídas de tensiones en barreras semiconductoras en materiales o dispositivos .•Dado que los dispositivos especialmente se usan para medir pequeñas cantidades físicas o para amplificar pequeñas señales, las fluctuaciones de las corrientes y de las tensiones se convierten en un límite de la exactitud de las respectivas cantidades a ser medidas o amplificadas .•Es importante conocer los factores que producen este límite para optimizar las condiciones de funcionamiento con este conocimiento y encontrar nuevos métodos y

RESPUESTA TRANSISTORIA Y RUIDO