Dispositivos Semiconductores

TEMA 3 : Física de la unión P-N.

TEMA 3: FÍSICA DE LA UNIÓN P-N
Introducción.
3.1. La unión p-n en equilibrio térmico.
Formación de la región espacial de carga.
Barrera de potencial y bandas de energía.
Corrientes de arrastre y de difusión.
3.1.1. Relaciones analíticas en equilibrio térmico.
3.1.1.1. Electrostática de la región espacial de carga.
3.1.1.2. Constancia del nivel de Fermi.3.1.1.3. Potencial de contacto.
3.2. Resolución de la ecuación de Poisson en la región espacial de carga.
3.2.1. La unión abrupta.
3.2.2. La unión gradual.
3.3. La unión P-N polarizada: diodo de unión.
Polarización directa.
Polarización inversa.
3.3.1. Capacidad de transición de la unión polarizada.
3.4. Modelo matemático de la unión P-N: ecuación de Shockley.
3.4.1. Característicasideales.
- Concentración de portadores en los límites de la región
espacial de carga.
- Distribución de portadores minoritarios en las zonas
neutras.
3.5. Fenómenos de ruptura.
a) Ruptura por inestabilidad térmica.
b) Ruptura por efecto túnel.
c) Ruptura de multiplicación por avalancha.
3.5.1. Cálculo de la tensión de ruptura por avalancha.
3.5.2. Efecto de la curvatura de la unión.SOLUCIONES:
1. Disminución de la concentración ligera de impurezas.
2. Técnicas de biselado y de anillos de campo.
3. Implantación iónica.
3.6. Almacenamiento de carga y capacidad de difusión.
Circuito equivalente en régimen de pequeña señal.
3.7. Comportamiento transitorio: tiempo de paso a corte.
3.8. Unión metal-semiconductor.
3.8.1. Diodos Schottky.
3.8.2. Contacto óhmicometal-semiconductor.
3.9. Estructura p+-n-n+.
3.10. Construcción del diodo.

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TEMA 3: FÍSICA DE LA UNIÓN P-N.
Introducción.
En los temas anteriores se han estudiado las propiedades de los semiconductores en
equilibrio térmico y fuera del equilibrio. Los semiconductores intrínsecos tienen un uso
muylimitado, sin embargo los semiconductores dopados con impurezas son la base de
los dispositivos que a partir de ahora vamos a estudiar.
Si sobre la superficie de un semiconductor previamente dopado con impurezas
aceptoras se difunden átomos dadores se forma una unión de propiedades muy
interesantes llamada unión p-n. La unión p-n desempeña un importante papel en las
aplicaciones de la electrónicamoderna, así como en la construcción y aplicación de
otros dispositivos semiconductores. Se utiliza por ejemplo en aplicaciones de
rectificación, conmutación, ... Además es un dispositivo fundamental en la construcción
de otros dispositivos semiconductores tales como los transistores bipolares, tiristores,
transistores de efecto de campo o dispositivos para aplicación en microondas o
fotónicos.En esta lección se van a presentar las características ideales estáticas y dinámicas de
la unión p-n en base a las ecuaciones obtenidas en la lección anterior.
3.1. La unión p-n en equilibrio térmico.
Fig. 1.a muestra dos materiales semiconductores, uno de tipo P y otro de tipo N
separados entre sí. En ellos el nivel de Fermi EF está cerca de la banda de valencia para
la muestra de tipo P ycerca de la banda de conducción para el material de tipo N. Por
otra parte, el material de tipo P tiene una concentración de huecos mucho mayor que de
electrones y al revés ocurre en el material de tipo N.

Fig. 1: (a) Semiconductores de tipo N y tipo P uniformemente dopados antes
de la unión. (b) Campo eléctrico en la región espacial de carga y diagrama de
bandas de energía en la unión p-nen equilibrio térmico.
Formación de la región espacial de carga.
Una unión p-n se forma cuando se unen estas dos regiones. En la práctica, los
procesos de fabricación de uniones p-n son los de epitaxia, difusión e implantación de
iones.

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Para simplificar vamos a suponer el caso en que...