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DEMANDAS DEL DISPOSITIVO
• DETECCIÓN/RECEPCIÓN DE INFORMACIÓN.
Los dispositivos deben ser capaces de detectar
información que pudiera haberse originado a cualquier
distancia. Los diodos, transistores y fotodetectores
realizan la tarea de la detección de señales de diversas
clases.
• AMPLIFICACIÓN DE LA INFORMACIÓN.
Con frecuencia la información recibida por un dispositivo
es muy débil y debe amplificarse para ser útil. El
dispositivo debe tener “ganancia” .
DEMANDAS DEL DISPOSITIVO
Esto significa que una entrada de señal
débil resultaría en una señal de salida
grande con mínima distorsión.
DEMANDAS DEL DISPOSITIVO
Los dispositivos también deben tener ganancia y una
respuesta no lineal de modo que los niveles
pequeños de ruido en la entrada no ocasionen
errores a la salida. Adicionalmente, habría
aislamiento de entrada-salida de manera que la
salida no afecte la información que entra.
DEMANDAS DEL DISPOSITIVO
• GENERACIÓN DE LA INFORMACIÓN.
Otra demanda importante para los dispositivos es que
sean capaces de generar información. Con
frecuencia esto involucra el tomar un flujo de
información entrante y generar un flujo saliente de
información electrónica u optoelectrónica.
NECESIDADES DE LAS UNIONES
• Una característica esencial de un dispositivo electrónico
debe ser la capacidad para alterar el “estado” del
dispositivo (ejemplo conductividad).
• Uno de los requerimientos importantes de los buenos
dispositivos es la respuesta no lineal. Una clase
importante de respuestas no lineales es una respuesta
de rectificación en la cual el flujo es “fácil” en una
dirección pero “difícil” en la otra.
NECESIDADES DE LAS UNIONES
• Un semiconductor sencillo (adulterado o no
adulterado) no tiene ninguna dirección selectiva
de esta clase. De hecho, un simple segmento de
un semiconductor (extrínseco o intrínseco) no
pueden realizar la mayoría de los requerimientos
de los dispositivos para procesamiento de
información.
• Los semiconductores llegan a ser útiles cuando,
en vez de tener una composición química
uniforme, tienen composiciones espacialmente no
uniformes o tienen uniones en ciertas regiones en
el espacio.
NECESIDADES DE LAS UNIONES
• Una unión muy importante es la unión p-n en la que la
naturaleza de los adulterantes se altera a través de una
frontera para crear una región que es de tipo P, próxima
a una región de tipo N. Esta unión tiene propiedades de
rectificación y puede utilizarse para producir efectos no
lineales muy fuertes.
UNION P-N
• La unión se emplea como un dispositivo en aplicaciones
como rectificadores, circuitos formadores de onda,
láseres, detectores, etc. Además, forma los ingredientes
clave del transistor bipolar que es uno de los más
importantes dispositivos eléctronicos.
UNION P-N
•
Nos interesa los siguientes aspectos de la unión:
a)
Las distribuciones de portador para los electrones y
huecos en el material.
b)
Los procesos físicos responsables del flujo de
corriente en la estructura cuando se aplica una
polarización.
TÉCNICAS DE FABRICACIÓN
•
a)
b)
Las técnicas de fabricación empleadas para formar
regiones tipo p y tipo n incluyen:
Procesamientos epitaxiales donde la especie
adulterante se conmuta simplemente en un instante
particular de tiempo.
Implantación de iones, en la cual los iones
adulterantes son implantados a altas energías dentro
del semiconductor. La unión no es tan abrupta como
en el caso de las técnicas epitaxiales.
TÉCNICAS DE FABRICACIÓN
c) Difusión de adulterantes dentro de un semiconductor
opuestamente adulterado.
• En nuestro análisis supondremos que la unión P-N es
abrupta, aun cuando en realidad esto sea cierto sólo para
uniones de crecimiento epitaxial.
LA UNIÓN P-N NO POLARIZADA
• Analizaremos primero las propiedades de la unión en la
ausencia de cualquier polarización externa. Obviamente
aquí no hay flujo de corriente en el diodo (unión p-n). Sin
embargo, se presenta una gran actividad en los
portadores, aun cuando no haya corriente neta.
• En la fig. 5.1a se muestra esquemáticamente los
semiconductores de tipo p y de tipo n sin formar una
unión entre ellos. Se muestra las posiciones del nivel de
Fermi, las bandas de conducción y de valencia y el nivel
de energía del vacío.
LA UNIÓN P-N NO POLARIZADA
• La afinidad electrónica χ definida como la diferencia de
energía entre la banda de conduccción y el nivel de
vacío; también se muestra con la función de trabajo (Φsp
y Φsn). La función trabajo representa la energía
requerida para remover un electrón desde el
semiconductor hasta el nivel de vacío “libre” y es la
diferencia entre el nivel de vacío y el nivel de Fermi.
• ¿Qué ocurre cuando los materiales de tipo p y de tipo n
forman la unión y no hay un campo aplicado
externamente?
• En ausencia de cualquier polarización aplicada, no hay
corriente en el sistema. Por lo que en ausencia de
cualquier flujo de corriente, el nivel de Fermi es uniforme a
todo lo largo de la estructura.
• Esto proporciona la vista esquemática de la unión
mostrada en la fig. 5.1b.
• Pueden identificarse tres regiones:
1) La región de tipo p en el extremo izquierdo, donde el
material es neutro y las bandas son planas. La densidad
de los aceptores balancea exactamente la densidad de los
huecos;
2) La región de tipo n en el extremo derecho, donde de nueva
cuenta el material es neutro y la densidad de los
donadores inmóviles balancea exactamente la densidad de
los electrones libres;
3) La región de agotamiento donde las bandas están
curvadas y hay un campo que ha barrido los portadores
móviles dejando detrás aceptores negativamente cargados
en la región p y donadores positivamente cargados en la
región n como se muestra en la fig. 5.1b.
•
En la región de agotamiento, que se extiende una
distancia Wp en la región p y una distancia Wn en la región
n hay un campo eléctrico. Cualesquiera electrones o
huecos en la región de agotamiento son apartados en este
campo.
• Entonces se presenta una corriente de deriva que
contrarresta la corriente de difusión que surge debido
a la diferencia entre las dos densidades de
electrones y huecos a través de la unión.
• Para describir las propiedades de la unión
necesitamos conocer la anchura de la región de
agotamiento, la distribución de carga de los
electrones y huecos y el campo eléctrico.
• Haremos algunas suposiciones para simplificar el
análisis:
1. La unión física es abrupta y cada lado está
uniformemente adulterado. Cada una de estas dos
condiciones puede ser disminuida, pero entonces se
necesita emplear técnicas numéricas para resolver el
problema.
2. Mientras que la densidad de carga móvil en la región de
agotamiento es distinta de cero (de otro modo no será
posible el flujo de corriente), es mucho más pequeña que
las cargas fijas del fondo.
3. También supondremos que la transición entre el volumen
neutral de la región n o la región p, y la región de
agotamiento es abrupta. Mientras que en realidad la
transición es gradual.
• Con el fin de comprender las propiedades del diodo,
identificaremos en primer lugar todos los componentes
presentes que fluyen en el dispositivo:
• Existe la corriente de deriva electrónica y corriente de
difusión electrónica, así como las corrientes de deriva de
huecos y de difusión de huecos, como se muestra en la fig.
5.2b. Cuando no se tiene polarización aplicada, estas
corrientes se cancelan entre sí individualmente.