dispositivos semiconductores

TEMA 4. DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES
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1. Introducción.
2. El diodo semiconductor: unión p-n no polarizada, potencial de contacto.
3. Unión p-n polarizada, ecuación de Schockley.
4. El transistor bipolar (BJT): configuración en base común y configuración en emisor
común;
5. El transistor como amplificador y conmutador.
6. Transistores de efecto de campo (FET).
1.INTRODUCCIÓN
La difusión de portadores es un fenómeno típico de los semiconductores. Mediante
la adición de impurezas aceptoras o donadoras se crean fácilmente gradientes de concen-
tración de electrones, o de huecos, que originan flujos de difusión de portadores mayorita-
rios con densidades de corriente.
Jp = - qD p dp/dx Jn = qD n dn/dx
Estos flujos son el fundamento de los procesos queocurren en los diodos de unión.
También es el fundamento de los transistores de unión bipolar, BJT. Por último se estudia-
ra el transistor de efecto de campo, FET, que es un dispositivo controlado por una tensión,
a diferencia del BJT que está controlado por una corriente. En todos ellos existen uniones
PN (o NP).
2. UNION P-N NO POLARIZADA
2.1. Generalidades
Se obtiene una unióncuando un monocristal semiconductor (Si, Ge, AsGa,...) se
dopa sucesivamente con impurezas aceptoras y donadoras, de forma que se tengan dos
zonas yuxtapuestas, P y N, de semiconductores extrínsecos tipo-p y tipo-n respectivamen-
te. Entre ellas, en la interfase, aparece una tercera zona llamada de transición, de de-
plexión, de carga espacial o de vaciamiento, que es de pequeñísimo espesor,del orden del µm. Es en la zona de transición donde tienen lugar los procesos fundamentales, de rectifi-
cación, absorción y emisión de luz, etc., que ocurren en las diversas clases de dispositivos
de unión.
Las zonas P y N son neutras, el número de huecos (o de electrones) móviles mayo-
ritarios en la BV (o en la BC) es igual al número de aniones de impureza aceptora (o dona-
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dora) fijas en la red. Despreciando los minoritarios, a T = 300 K, las concentraciones de
portadores mayoritarios, huecos en la zona P de valor p p y electrones en la zona N de valor
nn son: pp ≅ N a nn ≅ N d
En la zona de transición confluye el flujo de electrones, mayoritarios en la zona N,
que por difusión se inyectan en la zona P yanálogamente, los huecos de la zona P se inyec-
tan en la zona N.
La zona de transición prácticamente no contiene portadores, está vacía de electro-
nes y huecos de conducción, las cargas de los iones de impurezas no se compensan con la
carga opuesta de sus correspondientes portadores. Se forma una distribución dipolar de
carga: negativa , de aniones aceptores, junto a la zona P y otra de cargapositiva , de catio-
nes donadores, junto a la zona N.
Por tanto, la zona de transición queda subdividida en dos subzonas con cargas nega-
tiva y positiva respectivamente.
Como consecuencia de esta distribución dipolar aparece un campo electrostático
interno, Ei, dirigido de la zona N a la zona P, que genera tres efectos interrelacionados:
1º) Ei en la zona de transición crea unadiferencia de potencial, V o, de contacto entre las
zonas neutras, zona P y zona N, y con ello se establece una barrera energética equiva-
lente al producto de la carga del portador por la diferencia de potencial, esto es, eV o,
que se opone a los dos flujos de difusión de electrones y de huecos.
2º) Los electrones y huecos minoritarios en las zonas P y N respectivamente, de concentra-
ciones np y p n, que no tienen posibilidad de difundirse y están en las cercanías, o dentro
de la zona de transición, son arrastrados por Ei originando sendas corrientes de arrastre,
Isn e I sp , de sentido opuesto a las corrientes de difusión Idn e I dp . Las corrientes inversas de saturación I sn e I sp , tienen una magnitud del µA, son cuasi independientes de V o y de-
penden de la temperatura...