juntura pn repaso · emax-xp xn vjo+ v r pol. inversa materiales eléctricos h a x p max qn e...

18/05/2015

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Materiales

Eléctricos

Juntura PN

Repaso

Materiales Eléctricos

Definición:• Dispositivo Semiconductor

• Dos terminales

• Permite la Circulación de corriente ( I ) en un solo sentido

Símbolo y convenciones V - I:

+ VF -

IF

- VR +

IR

Juntura PN o DIODO

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Juntura PN con Polarización

INVERSA

P (NA)

VCC

R

N (ND)

Cátodo

VCC

R

+ VD -

Ánodo

- +

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Ion Aceptador

Ion Donador

HuecoElectrón


Juntura PN c/pola. 0

Huecos por Difusión Electrones por Difusión

Huecos por CampoElectrones por Campo

EZona Depleción

Libre de Carga móvil

0JV

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- +

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Zona P Zona N



INVERSA EZona Depleción

y campo E MAYOR

Huecos por CampoElectrones Campo

Mayoritarios

Minoritarios

Mayoritarios

Minoritarios

Huecos por Difusión Electrones por Difusión

Jmenor J EpDp EnDn Jmenor J

Banda Valencia

Banda Conducción

Banda Valencia

Banda Conducción


Nivel de Fermi

Nivel de Fermi

Juntura PN c/polarización 0

Semic. Tipo P

Semic. Tipo N

pnFF EE

2

i

DATjo

n

NNln VV

0VD

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Banda Valencia

Banda Conducción

Banda Valencia

Banda Conducción


Nivel de Fermi

Nivel de Fermi


DIRECTA

Semic. Tipo PSemic. Tipo N

Barrera c/polarización 0

Barrera c/polariz. Mayor a 0

Los niveles de Fermi ya no son iguales

ccjo VV

Banda Valencia

Banda Conducción

Banda Valencia

Banda Conducción


Nivel de Fermi

Nivel de Fermi


INVERSA

Semic. Tipo P

Semic. Tipo N

Barrera c/polarización 0

Barrera c/polariz. Menor a 0

Los niveles de Fermi ya no son iguales

ccjo VV

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Característica I - V

VƳ : tensión de umbral, tensión para la cual circula el 1% de la corriente nominal (IN), es una especificación del fabricante

Is: corriente de saturación inversa

VBR

Is

VƳ

1/rd

IN

1% IN


)1 ()(

T

D

U

V

eISI

I

V


Si V=VD Polarización directa

Si V>VD en el valor de UT 26mV a 300ºK

Si V = -VR Polarización inversa

Is depende de la zona menos contaminada, también depende de la

temperatura (ni2)

)1 ()(

T

D

U

V

eISI

)(

T

D

U

V

eISI

ISI

An

n

Dp

p

i

n

pon

p

nop

NL

D

NL

DqAn

L

nD

L

pDqAI 2

kTEi

GeTAn /32

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rd : resistencia dinámica:

Is

VƳ

1/rd

)1 ()(

T

D

U

V

eISITd

dU

I

dV

dI

rg

1

I

V

Materiales

Eléctricos

Juntura PNpolarizado

Inverso

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Juntura PN INVERSA

+

+

+

+

+

+

+

+

P (NA) N (ND)

np(x)pn(x)

VD

Wp Wn-xp xn

np0pn0

Concentración

de portadores

Perfiles de concentraciones

ccjoI VVV


Juntura PN INVERSA

Ancho de la zona de Depleción en función de la polarización

P N

xmo

-xpo xno

Polarización 0 Vjo

Polarización Directa Vjo - VD Polarización Inversa Vjo + VD

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+ +

+ +

+ +

- -

- -

- -

Zona NZona P

E(x)

x

Emax

-Xp Xn

Campo eléctrico

Vjo

x

Potencial de juntura

ρ

qND

-qNA

Densidad de carga

E

+

-


+ +

+ +

+ +

- -

- -

- -

Zona NZona P

NP

Vjo - VD

Pol. Directa

Vjox


ρqND

-qNA

Densidad de carga

x

Campo eléctrico

E(x)

x

Emax

-Xp Xn

Sin Pol.

Vjo + VR

Pol. Inversa


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+ +

+ +

+ +

- -

- -

- -

Zona NZona P

E(x)

x

Emax

-Xp Xn

Campo electrico

Vjo

x


ρ qND

-qNA

Densidad de carga+

-xp NA = xn ND

2

2

dx

d V

dx

d)(

VxE

n

p

x

x

dxxExV )()(


E(x)

x

Emax

-Xp Xn

ρ

qND

-qNA

+

-

xp NA = xn ND

2

2

dx

d V

• Aplicamos la Ecuación de POISSON

0x- para dx

dp2

2

xqNV A

0x- para

xx

dx

d)( p

p

x

qNVxE

A

Cdx

d1

xqNV A C1

pAxqN

px

dx

d)0(

A

Max

qNVEE

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E(x)

x

Emax

-Xp Xn

Vjo

ρ

qND

-qNA

+

-

xp NA = xn ND

2

2

dx

d V

nxx

dx

d)(

DqNV

xE

0 xpara n x

n

p

x

x

dxxExV )()(

nx

dx

d)0( D

Max

qNVEE


E(x)

x

Emax

-Xp Xn

Vjo

ρ

qND

-qNA

+

-

xp NA = xn ND

pxx

dx

d)(

AqNVxE

0 xpara p x

n

p

x

x

jo dxxEVxV )()(

nxx

dx

d)(

DqNV

xE

0 xpara n x

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E(x)

x

Emax

-Xp Xn

Vjo

ρ

qND

-qNA

+

-

xp NA = xn ND

0

1 )()(

px

dxxExV

0 xpara p x

)()( 21 xVxVV jo

2

n

2

p xx2

DAjo NNq

V

0 xpara n x

nx

dxxExV0

2 )()(

V1

V2


E(x)

x

Emax

-Xp Xn

Vjo

ρ

qND

-qNA

+

-xp NA = xn ND

2

n

2

p xx2

)( DAjo NNq

VxV

Reemplazando xn

D

AA

joN

NqNV 1

2

x2

p

D

AA

jo

N

NqN

V

1

2xp

El ancho de la zona de depleción en la Zona P es xp

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E(x)

x

Emax

-Xp Xn

Vjo

ρ

qND

-qNA

+

-

xp NA = xn ND

Similarmente en la Zona N

A

DD

jo

N

NqN

V

1

2xn

El ancho de la zona de depleción en la Zona N es xn

El ancho de la zona de depleción depende de la tensión Vjo

+

+

+

-

-

-

Zona NZona P

NP

Vjo - VD

Con Pol. Directa

x


ρqND

Densidad de carga

x

Campo eléctrico

E(x)

x

Emax

-Xp Xn


D

AA

Djo

N

NqN

VV

1

)(2xp

A

DD

Djo

N

NqN

VV

1

)(2xn

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+ +

+ +

+ +

- -

- -

- -

Zona NZona P

NP

x


ρ

qND

-qNA

Densidad de carga

x

Campo eléctrico

E(x)

x

Emax

-Xp Xn

Vjo + VR

Con Pol. Inversa


D

AA

Rjo

N

NqN

VV

1

)(2xp

A

DD

Rjo

N

NqN

VV

1

)(2xn


E(x)

x

Emax

-Xp Xn

Vjo

ρ

qND

-qNA

+

-

xp NA = xn ND

CAPACITANCIA DE JUNTURA

Dado que existe una carga Qj dependiente de la tensión asociada a la a zona de depleciónEsto produce un efecto capacitivoSe puede considerar como un capacitor de placas paralelas que están separadas una distancia Xp + Xn que llamamos Xm

Xm = Xp + Xn ancho total de la zona de depleción

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E(x)

x

Emax

-Xp Xn

Vjo

ρ

qND

-qNA

+

-

xp NA = xn ND

CAPACITANCIA DE JUNTURA

Esta Capacidad se llama Capacidad de Juntura o Capacidad de Transición por la zona de depleción o transición

dV

dx*

dx

d

dV

d m

m

QQ

)(dV

d

npm

JTxx

A

x

ACC

Q

P N


Ruptura inversa

VBR

Is

VƳ

)1 ()(

T

D

U

V

eISI

I

V

VBR

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VBR Ruptura inversa

Hay tres tipos de mecanismos de ruptura:

Zener : ocurre cuando el campo eléctrico en la zona de

depleción es tal que puede romper los enlaces covalentes,

generando así pares electrón-huecos, pero estos no pueden

generar mas pares electrón-hueco por colisión.

La ruptura Zener se alcanza con valores de campo del orden de

107 V/cm. Esta tensión es del orden de 6V o menor y se da

generalmente en junturas muy contaminadas

Perforación: ocurre en junturas cortas, cuando la zona de

depleción se agranda hasta tocar los contactos con el metal


Avalancha: ocurre cuando el campo aplicado tiene la magnitud

necesaria para romper los enlaces y arrancar un electrón, a su vez

este electrón tiene la suficiente energía como para colisionar con

los átomos y generar un nuevo par electrón-hueco y este nuevo

par también posee la energía suficiente para generar un nuevo

par electrón-hueco, entonces se crea efecto de multiplicación

por avalancha

e- e-

e-

e-

e-

e-

e-

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Avalancha: ocurre cuando el campo aplicado tiene la magnitud

necesaria para romper los enlaces y arrancar un electrón, a su vez

este electrón tiene la suficiente energía como para colisionar con

los átomos y generar un nuevo par electrón-hueco y este nuevo

par también posee la energía suficiente para generar un nuevo

par electrón-hueco, entonces se crea efecto de multiplicación

por avalancha

e- e-

e-

e-

e-

e-

e-

clmqEEclmF go max*

Donde clm es el camino libre medio entre choque y choque

+ +

+ +

+ +

- -

- -

- -

Zona NZona P

NP

x

ρqND

-qNA

x

Campo eléctrico

E(x)

x

Emax

-Xp Xn

Vjo + VR

Pol. Inversa


pxA

Max

qNE

Reemplazando

)(

2

DA

RDAMax

NN

VNqNE

Despreciando Vjo frente a VR

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Ruptura inversa

VBR

Is

VƳ

)1 ()(

T

D

U

V

eISI

I

V

RBRMAX IVP

IR

n

BR

RR

V

V

ISI

)(1

Formula empirica


Ruptura inversa

VBR

I

V

RBRMAX IVP

IR

Ninguna Ruptura es destructiva salvo que se supere la disipación máxima de Potencia

La corriente crecefuertemente durante la ruptura pero si no se supera la disipación máxima de Potencia no destruirá el diodo

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INVERSA En Zona de RUPTURA

El circuito externo debe limitar la corriente

VCC

R

VBR

MaxBRcc I

R

VVI

MaxBRMax IVP *

juntura pn repaso · emax-xp xn vjo+ v r pol. inversa materiales eléctricos h a x p max qn e...

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