Unión PN

Electrónica Analógica Unión PN (teoría)

2. TEORÍA DE LA UNIÓN PN

En un semiconductor existe una unión PN cuando existe una región denominada unión metalúrgica que separa una región de semiconductor extrínseca de tipo P de una de tipo N.

Al extremo P, se le denomina ánodo, representándose por la letra A, mientras que la zona N, se le denomina cátodo, se representa por la letra K.

Cuando no existe ninguna causa externa actuando sobre el diodo, se dice que el diodo está en equilibrio. Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.

2.1 UNIÓN PN EN EQUILIBRIO TERMODINÁMICO

En equilibrio termodinámico no existe ninguna causa externa actuando sobre el material, se crean pares e--h+ debido a la rotura de enlaces covalentes (generación intrínseca) y todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados (generación extrínseca).

En esta situación, se manifiesta una difusión de portadores de zonas más pobladas a zonas menos pobladas: los huecos de la zona P pasan a la zona N y los electrones hacen lo propio de la zona N a la zona P. Estos flujos por difusión pretenden anular el gradiente

1

p nUnión metalúrgica

A K

Representación circuital

p nUnión metalúrgica

p np nUnión metalúrgica

A K


A K


p n

-

-

-

-

-

-

-

-

-+

+-

+ +

+-

+ +

+-

+ +

-+ ND+ y NA

-

portadores provenientes de las impurezas

portadores provenientes de la rotura de enlaces covalentes

+ +

+

++

++

+

-

+ +

- - -

+ +

-

-

-

-

-

-

+ -

+ -

p n

-

-

-

-

-

-

-

-

-+

+-

+ +

+-

+ +

+-

+ +

-+ ND+ y NA

-

portadores provenientes de las impurezas

portadores provenientes de la rotura de enlaces covalentes

+ +

+

++

++

+

-

+ +

- - -

+ +

-

-

-

-

-

-

+ -

+ -

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81nodo


de concentración de portadores que hay alrededor de la unión metalúrgica.

Cuando los portadores abandonan su región correspondiente, dejan tras de sí impurezas donadoras/aceptadoras ionizadas no compensadas: los iones negativos (NA

-) de la zona P próximos a la unión, al ser desprovistos de los huecos que compensaban sus cargas, producen en esta región un carga electrostática negativa; a su vez, los iones positivos (ND

+) de la zona N próximos a la unión, al ser desprovistos de los electrones que compensaban sus cargas, producen en esta región una carga electrostática positiva. La zona en la que se localizan estas impurezas ionizadas no compensadas recibe diferentes denominaciones como zona de carga espacial, de deplexión, de vaciamiento o de transición, y en ella prácticamente no hay cargas móviles.

A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va incrementando su anchura, profundizando en los semiconductores a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de carga electrostática alrededor de la unión metalúrgica crea un dipolo causante de un campo eléctrico que se opone a los flujos por difusión y termina deteniéndolos. Solamente los portadores mayoritarios (huecos de la zona P y los electrones de la zona N) que poseen la energía cinética suficiente pueden atravesar por difusión la barrera de potencial existente en la zona de deplexión.

2

p nCarga electrostática negativa

Carga electrostática positiva

Zona de deplexión

-

-

--

-

--

+ +

-

- + + +

+

+ ++d

d

d

+ +

+ +

- -

--

++

- -d

p nCarga electrostática negativa

Carga electrostática positiva

Zona de deplexión

-

-

--

-

--

+ +

-

- + + +

+

+ ++d

d

d

+ +

+ +

- -

--

++

- -d

EP

p n

-

-

--

-

--

+ +

-

- + + +

+

+ ++-

-

- +

+

+d

d

d

+ +

+ +

- -

--

++

- -d

EP

p n

-

-

--

-

--

+ +

-

- + + +

+

+ ++-

-

- +

+

+d

d

d

+ +

+ +

- -

--

++

- -d


El campo eléctrico descrito provoca el paso de los portadores minoritarios (electrones en la zona P y huecos en la zona N) a través de la zona de deplexión, lo que da lugar a sendos flujos de arrastre.

En estas condiciones, las corrientes que se establecen a través de la unión son:

Idp huecos de la zona P con energía cinética suficiente para atravesar la unión. Idn electrones de la zona N con energía cinética suficiente para atravesar la unión. Iap huecos generados por la rotura de enlaces covalentes en la zona N. Ian electrones generados por la rotura de enlaces covalentes en la zona P.

3

Fan (flujo de huecos por arrastre)

Fap (flujo de electrones por arrastre)

-

-

--

-

--

+ +

-

- + + +

+

+ ++-

-

- +

+

+

+ +

+ +

- -

--

++

- -

aa

EP





-

-

--

-

--

+ +

-

- + + +

+

+ ++-

-

- +

+

+

+ +

+ +

- -

--

++

- -

aa

EP



Fdp (flujo de huecos por difusión)

Fdn (flujo de electrones por difusión)

p n

-

-

--

-

--

+ +

-

- + + +

+

+ ++-

-

- +

+

+dp

dp

dnap

+ +

+ +

- -

--

++

- -dn

an

EP



Fdp (flujo de huecos por difusión)

Fdn (flujo de electrones por difusión)

p n

-

-

--

-

--

+ +

-

- + + +

+

+ ++-

-

- +

+

+dp

dp

dnap

+ +

+ +

- -

--

++

- -dn

an

EP


Los flujos de arrastre se oponen a los flujos por difusión, de manera que la corriente total es nula (existen corrientes, pero se compensan).

Ir = IF = Id = Idn + Idp

Is = IR = Ia = Ian + Iap

Ir + Is = 0 Ir = - Is

2.2 UNIÓN PN EN POLARIZACIÓN DIRECTA

El campo eléctrico aplicado ED es de sentido contrario al originado internamente (EP), siendo la nueva barrera de potencial VB=VD-VP. La disminución de la barrera de potencial hace que la zona de deplexión se haga más estrecha, ofreciendo menor resistencia al paso de corriente eléctrica. Esto origina que un gran número de huecos penetren en la región N y que un gran número de electrones penetren en la región P a través del mecanismo de difusión Inyección de portadores mayoritarios.

4

p n

-

-

- +

+

+

EP-ED

-

-

--

+ +

-

- + +

+ +d

d

d

+ +

+ +

- -

--

++

- -d

-

-+

+

d

+

+

-

-d

VD

p n

-

-

- +

+

+

EP-ED

-

-

--

+ +

-

- + +

+ +d

d

d

+ +

+ +

- -

--

++

- -d

-

-+

+

d

+

+

-

-d

VD

A K

I = Ir + Is = 0

A K

I = Ir + Is = 0


La inyección de portadores mayoritarios (Ir) hace que la componente de corriente debida a los portadores minoritarios (Is) sea despreciable. De este modo, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante, dependiente de la tensión aplicada.

2.3 UNIÓN PN EN POLARIZACIÓN INVERSA

El campo eléctrico aplicado ED tiene el mismo sentido que el originado internamente (EP), siendo la nueva barrera de potencial VB=VD+VP. Por lo tanto, en las proximidades de la zona de deplexión existen cada vez menos electrones y huecos que puedan actuar como portadores de carga eléctrica: la zona de deplexión se hace más ancha, ofreciendo mayor resistencia al paso de corriente eléctrica.

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p n

-

-

---

+ +

-

- + +

+

++-

-

- +

+

+

a

+

+

-

-

++

- -

a

EP+ED

-

-

-

-

-

- +

+

+

+

+

+

VD

p n

-

-

---

+ +

-

- + +

+

++-

-

- +

+

+

a

+

+

-

-

++

- -

a

EP+ED

-

-

-

-

-

- +

+

+

+

+

+

VD

A K

VD

I ≈ Ir

A K

VD

I ≈ Ir


Corriente inversa de saturación (Is)

Los portadores minoritarios ven favorecido su arrastre a través de la zona de deplexión gracias al efecto del campo eléctrico aplicado. Dado que la concentración de portadores minoritarios (generación intrínseca) es constante para una temperatura dada, al aumentar la tensión aplicada, aumenta también la corriente de arrastre, pero solamente hasta que todos los portadores minoritarios participen en la conducción. En ese momento, la corriente de arrastre ya no crecerá más y permanecerá constante. A dicha corriente se la denomina corriente inversa de saturación, y se caracteriza por ser una corriente muy pequeña (del orden de los µA). Dado que la corriente inversa de saturación depende de la generación intrínseca, y ésta a su vez depende de la temperatura, se deduce que al aumentar la temperatura también lo hará la corriente.

En este caso, la componente de corriente debida a los portadores mayoritarios (I r) es prácticamente despreciable, ya que al aumentar la barrera de potencial, será menor el número de portadores mayoritarios que tengan la energía cinética suficiente para atravesarla por difusión.

Si la tensión inversa aplicada crece excesivamente, aumentará también el campo eléctrico aplicado, lo que puede hacer que los portadores minoritarios se aceleren excesivamente, chocando y arrancando nuevos portadores de la estructura cristalina. Este fenómeno se denomina ruptura por avalancha y puede producir la destrucción de la unión PN.

6

A K

VD

I ≈ Is (µA)

A K

VD

I ≈ Is (µA)


2.4 CARACTERÍSTICA TENSIÓN-CORRIENTE DEL DIODO

Analizando las componentes de corriente de una unión PN, se llega a la siguiente relación entre corriente y tensión:

V tensión de ánodo a cátodoI corriente de ánodo a catodoIs corriente inversa de saturación

q carga de un portadorK cte de BoltzmannT temperatura

Si el diodo se encuentra directamente polarizado: V > 0 I > 0 la corriente circula de ánodo a cátodo. Por debajo de la tensión umbral (V) la corriente es muy pequeña, prácticamente despreciable. Para valores superiores a V, la corriente comienza a crecer

de manera exponencial: . No obstante, para valores muy grandes de V

llega un momento en que la barrera de potencial en la unión es casi nula, por lo que la característica es prácticamente una línea recta. A partir de dicho momento, la ecuación deja de ser válida y la corriente vendrá determinada por la ley de Ohm (I = V / RD), donde la resistencia será la debida al material y los contactos óhmicos.

Si el diodo se encuentra inversamente polarizado: V < 0 I < 0 la corriente circula

de cátodo a ánodo. Dado que la tensión V es negativa, el valor de la exponencial

tiende a cero, por lo tanto: . Si se alcanza un cierto valor de tensión inversa aplicada denominado tensión de ruptura (VBR), la ecuación deja de tener validez, de forma que la corriente inversa aumenta, produciéndose la ruptura de la unión.

7

IS (μA) V(v)

I (mA)

VBR

Vγ

I Is (eqVKT 1)

I

I = V / RD

IS (μA) V(v)

I (mA)

VBR

Vγ

I Is (eqVKT 1)

I

I = V / RDI = V / RD


De este análisis se concluye que, cuando el diodo está directamente polarizado, circula por él una corriente eléctrica constante dependiente de la tensión aplicada, mientras que cuando el diodo está inversamente polarizado, circula por él la corriente inversa de saturación prácticamente despreciable e independiente de la tensión aplicada.

2.5 RESISTENCIA DE UN DIODO

Resistencia estática (R)

La resistencia estática R es la relación V/I para cualquier punto de trabajo del diodo. Se define como la inversa de la pendiente que une el origen de coordenadas con el punto de trabajo (punto Q).

Polarización Directa R = RF V = 0.7v , I = 10mA RF = 80 R pequeñaPolarización Inversa R = RR V = -50v , I = -0.1mA RR = 500M R grande

Resistencia dinámica (rd)

La resistencia dinámica rd es un parámetro muy importante cuando se trabaja en pequeña señal (señales alternas de baja frecuencia). Se define como la inversa de la pendiente de la característica del diodo en el punto de trabajo Q.

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V(v)

I (mA)

VQ

IQ

Q

V(v)

I (mA)

VQ

IQ

Q

V(v)

I (mA)

VQ

IQ

Q

V(v)

I (mA)

VQ

IQ

Q


2.6 CAPACIDAD DE UN DIODO

La unión PN se comporta como un condensador cuya capacidad es función de la tensión aplicada y en el que el dieléctrico es la zona de deplexión, cuyo espesor es variable.

Polarización directa: capacidad de difusión (CD)

Esta capacidad es la responsable de la limitación de la velocidad de conmutación del diodo y es debida al mecanismo de difusión de cargas a través de la unión.

La expresión para calcular CD es:

≡ tiempo promedio que tarda un electrón en moverse entre dos huecos

Como se observa, CD es directamente proporcional a la corriente, por lo que aumenta muy rápidamente con tensiones positivas.

Polarización inversa: capacidad de transición (CT)

Esta es la capacidad a tener en cuenta cuando el diodo trabaja con señales alternas de alta frecuencia. La capacidad CT varía en función de la anchura de la zona de deplexión, la cual se modula a su vez en función de la tensión inversa aplicada. Los fabricantes proporcionan el valor de CT mediante curvas dependientes de la tensión inversa aplicada (VR)

La expresión que relaciona CT con VR es:

CC ≡ capacidad de la cápsulaCO ≡ capacidad del diodo con VR = 0n = 1/2 ó 1/3, dependiendo del tipo de unión

En resumen:

Polarización directa CD >> CT

Polarización inversa CT >> CD

9


2.7 CIRCUITOS EQUIVALENTES DE UN DIODO

Diodo ideal

1ª aproximación

10

V(v)

I (mA)

Vγ V(v)

I (mA)

Vγ

A KA K

RF

A K

CD

Vγ

I Is (eqVKT 1)

D ON (P.D.)

RF

A K

CD

VγVγ

I Is (eqVKT 1)

D ON (P.D.)

V(v)

I (mA)

tg α

= 1

/ R F

Vγ V(v)

I (mA)

tg α

= 1

/ R F

V(v)

I (mA)

tg α

= 1

/ R F

Vγ

Vγ RFA K

I

D ON (P.D.)

Vγ RFA K

I

D ON (P.D.)

KA

I = 0

D OFF (P.I.)

KA

I = 0

D OFF (P.I.)

RR

A K

I = - Is

CT

D OFF (P.I.)

RR

A K

I = - Is

CT

D OFF (P.I.)


2ª aproximación

3ª aproximación

4ª aproximación (diodo ideal)

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V(v)

I (mA)

Vγ V(v)

I (mA)

Vγ

V(v)

I (mA)

tg α

= 1

/ R F

Vγ = 0 V(v)

I (mA)

tg α

= 1

/ R F

V(v)

I (mA)

tg α

= 1

/ R F

Vγ = 0

V(v)

I (mA)

Vγ = 0 V(v)

I (mA)

V(v)

I (mA)

Vγ = 0

KA

I

Vγ

D ON (P.D.)

KA

I

Vγ

D ON (P.D.)

RFKA

I

D ON (P.D.)

RFKA

I

RFKA

I

D ON (P.D.)

KA

I

D ON (P.D.)

KA

I

KA

I

D ON (P.D.)

KA

I = 0

D OFF (P.I.)

KA

I = 0

D OFF (P.I.)

KA

I = 0

D OFF (P.I.)

KA

I = 0

D OFF (P.I.)

KA

I = 0

D OFF (P.I.)

KA

I = 0

D OFF (P.I.)

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