Electrónica básica

SEMICONDUCTORES

La barrera de energía

Antes de la Difusión
Empieza la Difusión y la Recombinación
Equilibrio
Polarización Directa
Polarización Inversa
Para poder comprender como funcionan los dispositivos semiconductores, es necesario conocer el modo en que los niveles de energía controlan la acción de una unión pn.
Ahora se verá como se forma la barrera de potencial de 0.7 V en el diodo. Veremos 5 puntos:

• Antes de la difusión
• Empieza la difusión y la recombinación
• Equilibrio
• Polarización Directa
• Polarización Inversa

Antes de la Difusión
Zona p y n antes de unirse:

Instante inicial en que se juntan. Instante cero, todavía no ha habido difusión:

¿ Porqué están más altas una bandas en p que en n ?

Las órbitas de la zona p son más pequeñas y por lo tanto los radios también son más pequeños. Como se ha dicho anteriormente, hablar de radios es equivalente a hablar de energías, entonces las energías también son más pequeñas.

Esto es porque +5 atrae más fuertemente que +3. A mayor carga atrae con más fuerza, disminuye así el radio, con lo que la energía es menor.

Empieza la Difusión y la Recombinación
Los electrones pasan de derecha a izquierda y se recombinan con los huecos.

Cruzan y se recombinan los que están al lado de la unión. Se empieza a crear una diferencia de potencial entre una parte y otra, esta diferencia de potencial aumenta hasta que se establezca el equilibrio (Si a 0.7 V, Ge a 0.3 V).

En las Bandas de Energía ocurre lo siguiente: Un electrón va de n a p y luego en p baja de BC a BV.

Al recombinarse, la energía que hay desde el nivel que tenía al que está el hueco al que ha saltado la tiene que saltar y la suelta en forma de calor (un diodo se suele calentar) o también en forma de radiación que puede ser visible (Led) o no.
Esto continúa hasta que se llega a 0.7 V y se llega al equilibrio.

Y se ha creado una diferencia de potencial o anchura de banda (W).
Hasta ahora resumiendo lo que ha ocurrido es:

• Difusión.
• Recombinación.
• Se ha formado una z.c.e. (ó deplexión).

Además de eso las bandas de energía se han desplazado (hasta llegar al equilibrio).
Equilibrio
Al llegar a 0.7 V las bandas se han desplazado. Han subido hasta que el nivel inferior de p este al mismo nivel que el nivel superior de n.

Y se mantendrán en esa posición a no ser que se rompa el equilibrio. En este equilibrio no puede difundirse ningún electrón, no hay difusión ni recombinación si no se rompe el equilibrio.

Veamos porque se han desplazado:

Los átomos de valencia +3 tienen en la última órbita 7 electrones y 1 hueco. Las órbitas se ensanchan por el hueco y esto hace que aumenten los radios de la BV y BC. Aumenta radio lo que implica que aumenta la energía, hasta llegar a la situación antes explicada.

Con los átomos +5 ocurre lo contrario, disminuye el radio con lo que disminuye la energía.

Lo que ha ocurrido es que ya no hay radios coincidentes entre los átomos de valencia +3 y los de valencia +5, por eso se crea el equilibrio.
Polarización Directa
Ahora romperemos el equilibrio poniendo una pila.

La pila es una "Energía Externa" que hace subir los niveles de la zona n. Esta pila en directa elevará el nivel de energía de la zona n.

Suben las bandas de energía de la zona n y coinciden algunas con la de la zona p, y ya puede haber difusión y recombinación.
Entonces pasan los electrones, se recombinan, etc...Ahora la pila les obliga.
El electrón cruza la W y va pegando saltos de hueco en hueco formando una malla cerrada.

Algunos electrones puede que antes de cruzar bajen y se recombinen con el hueco, pero hay muchos más que se comportan de la otra manera.
Polarización Inversa
Otra forma de romper el equilibrio es con la Polarización Inversa, que se da poniendo la pila al revés que en el caso anterior.

Al poner la pila de esa forma aumenta el W porque la pila atrae a los huecos y los electrones.
Y se ensancha la W hasta igualarse la barrera de potencial al valor de la pila externa. En este ejemplo se llegará al nuevo equilibrio al llegar esa barrera de potencial al valor de 5 V.
Las bandas de energía de la zona n bajan respecto a la zona p, y no hay corriente.

Corrientes en un diodo en polarización inversa

En polarización inversa es más difícil la conducción, porque el electrón libre tiene que subir una barrera de potencial muy grande de n a p al ser mayor el valor de W. Entonces no hay conducción de electrones libres o huecos, no hay corriente.

En esta situación tenemos que tener en cuenta la generación térmica de pares electrón-hueco. Los pocos electrones generados térmicamente pierden energía y bajan de p a n, es la "Corriente Inversa de Saturación" (I_S) que es muy pequeña.

Esa corriente tiene un sentido, siempre se toma la corriente de p a n. Entonces sería negativa en este caso.

Además de esta corriente tenemos otra corriente debida a las fugas, que se denomina "Corriente de Fugas" (I_f).

También ocurre un fenómeno antes de llegar a ese valor, antes de establecerse el valor de I_S.
Mientras van saliendo huecos y electrones, entre el instante inicial y el equilibrio final, hay instantes intermedios. Se crea un transitorio durante el cual en un intervalo breve de tiempo hay una "Corriente Transitoria".
I_transitoria puede llegar a tener un valor muy grande.
I_transitoria = - Grande
Pero dura muy poco, unos nanosegundos. Su duración depende de la resistencia y la capacidad que haya en la malla, así tenemos una "Constante de Tiempo":

Esta constante de tiempo define lo rápido o lenta que es esa malla. Conviene que  sea pequeña. Suele ser del orden de decenas de nanosegundos.
Si en vez de poner una pila de continua, conectamos el diodo a una onda alterna:

Al tener una onda senoidal el valor de la tensión se está variando continuamente, es como una pila variable, por ello siempre se moverá con retraso debido a esa . Por lo tanto, la frecuencia de esa onda senoidal es importante, por ejemplo para una frecuencia de 10 MH:

 (decenas de nseg) ha de ser pequeño respecto a T. Entonces para frecuencias menores o iguales a 10MHz el circuito funcionaría bastante bien.

La malla tiene que ser suficientemente rápida respecto a la frecuencia de la senoidal.
Tenemos que la I_f (Intensidad debida a fugas) es proporcional a la tensión, mientras que la I_S depende de la temperatura (I_S aumenta 7 % por cada ºC).




Problema 2.1
¿Cuál es la barrera de potencial en un diodo de silicio cuando la temperatura de la unión es de 100 C?
Solución:
Si la temperatura de la unión aumenta a 100 C, la barrera de potencial disminuye en

(100 - 25)·2 mV = 150 mV = 0,15 V

con lo que el valor de la barrera de potencial es

V_B = 0,7 V - 0,15 V = 0,55 V

Problema 2.2
Un diodo de silicio tiene una corriente inversa de saturación de 5 nA a 25 C. Calcule la corriente inversa de saturación a 100 C.
Solución:
La corriente inversa de saturación se duplica por cada aumento de 10 C. Por tanto, es igual a 10 nA a 35 C, 20 nA a 45 C, 40 nA a 55 C, 80 nA a 65 C, 160 nA a 75 C, 320 nA a 85 C, 640nA a 95 C, 1,28 mA a 100 C.
Recuerde que la regla sólo es una aproximación. Para obtener mayor precisión se puede emplear la regla del incremento del 7 por 100 por cada grado de aumento de temperatura. En este caso,

I_S = 1,07·1,07·1,07·1,07·1,07·640 nA = 1,07⁵·5 nA = 799 nA