Semiconductores

Física de Semiconductores (333) Curso 2005
Ing. Electrónica - 3er. Año, V cuat.

Trabajo Práctico Nro. 11: Limitaciones al modelo ideal del diodo de unión PN. Capacidad de barrera CT. Aplicación: diodo varicap. Modelo equivalente de pequeña señal.

Objetivos: Estudiar elcomportamiento de la juntura PN real. Obtener modelos equivalentes en continua y de pequeña señal.

Bibliografía sugerida:
El diodo PN de unión - G. Neudeck
Electrónica física y modelos de circuitos de transistores - S.E.E.C. vol. 2
Dispositivos electrónicos para Circuitos Integrados - Müller y Kamins
Semiconductor physics & devices. Basic principles. - D. Neamen
Semiconductor devices anintroduction.- J. Singh

Introducción: Circuito eléctrico equivalente del diodo de juntura PN

Para analizar y diseñar circuitos con diodos de juntura PN debe conocerse su comportamiento circuital (modelo eléctrico equivalente).
Si el diodo se considera como un dispositivo en el cual no hay almacenamiento de cargas su comportamiento puede asemejarse al de un dispositivo infinitamente rápido. En estecaso, al aplicar un escalón de corriente el dispositivo no tendrá inercia de carga, y la corriente podrá cambiar en forma instantánea y en tiempo cero. Este comportamiento no sucede en la práctica porque existen efectos de almacenamiento de cargas en el dispositivo. Básicamente, hay dos formas de almacenamiento de cargas:
• carga almacenada en la región de agotamiento debida a la concentración dedopantes,
• carga almacenada debida a la concentración de portadores minoritarios inyectados en las regiones neutras.
Estas cargas pueden asociarse a dos capacitancias por unidad de área llamadas: capacidad de juntura o de barrera (CT) y capacidad de difusión (Cd), respectivamente.

Capacidad de barrera CT

La capacidad CT proviene de la región de agotamiento donde se forma una capa dipolar decarga fija positiva y negativa debida a los átomos donadores y aceptores ionizados. Recordemos que una polarización inversa (VR) produce un incremento en el ancho de la región de carga espacial (w), y por lo tanto un incremento de carga por unidad de área:

dQ = q xn ND = q xp NA
donde:

Puede definirse la capacidad CT por unidad de área:

La expresión anterior también puede escribirseen la forma:
que es la expresión de la capacitancia por unidad de área de un capacitor de placas planas paralelas de separación w con un dieléctrico de permitividad .
Es importante notar que esta capacidad depende de la tensión aplicada resultando una interesante propiedad para ser utilizada en circuitos de sintonización de frecuencias.
Bajo condiciones de polarización inversa, no hayprácticamente portadores inyectados en las regiones neutras y predomina esta capacidad.
Para una juntura PN del tipo P+N la capacidad de barrera CT queda expresada por:

Aplicación: Diodos varactores (varicap)

Una aplicación de la capacitancia de barrera es en los llamados diodos varactores o varicap (voltage-variable capacitance), cuya capacidad varía con la tensión inversa aplicada. La capacidadde transición CT puede expresarse en función de la tensión inversa aplicada como:

CTo: valor de la capacidad para polarización nula
m: coeficiente que depende del tipo de juntura (m=1/2 para juntura abrupta, m=1/3
para juntura gradual)

La característica del varicap CT en función de VR (tensión inversa aplicada) es del tipo:















El circuitoequivalente del varicap es:








Una de las aplicaciones más frecuente es en circuitos sintonizados, cuya frecuencia de resonancia fo resulta variable con la tensión aplicada al diodo. Cuando el diodo se usa en un circuito resonante con un inductor L, la frecuencia de resonancia varía con la tensión inversa aplicada al diodo:

Admitancia equivalente de pequeña señal

En...