T2. El díode de unió PN (2017)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Nanociencia y Nanotecnología - 3º curso
Asignatura Dispositius Electrònics
Año del apunte 2017
Páginas 19
Fecha de subida 31/10/2017
Descargas 0
Subido por

Vista previa del texto

Grau en Nanociència i Nanotecnologia Noelia Hernández Lobato 2 EL DÍODE D UNIÓ PN 2.1 UNIÓ PN EN EQUILIBRI 2.1.1 Una unió PN consisteix en un límit o interfase entre dos tipus de materials semiconductors, un tipus P i un és la part positiva, mentre que la part veure a la següent figura.
Tanmateix, quan es produeix la unió dels dos materials h trobar dos nivells de Fermi en un mateix material, hi haurà una difusió de portadors, és a dir, els electrons difondran des de la regió N cap a la P i les vacants difondran des de la P cap a la N.
Hem de tenir present, però, que els àtoms donadors (càrrega positiva, donen electrons) i els àtoms acceptors (càrrega negativa, deixen anar una vacant llavors accepten un electró de més) no es poden moure, sinó que el que es mou són els portadors.
24 Grau en Nanociència i Nanotecnologia Noelia Hernández Lobato creen zones amb càrrega totalment negativa (a prop de la regió P: àtoms acceptors i electrons) i zones amb càrrega totalment positiva (a prop de la regió N: àtoms donadors i vacants).
Aquesta distribució de càrrega deguda a la difusió crea una regió que no és neutral elèctricament, per tant apareix un camp elèctric, , entre les dues regions de la unió PN. Aquesta zona és la regió de buidament i és la única zona del semiconductor que hi ha una distribució no nul·la de càrregues.
2.1.2 25 Grau en Nanociència i Nanotecnologia Noelia Hernández Lobato per tant, trobem que hi ha un desnivell entre les bandes conducció i les bandes de valència dels semiconductors de tipus N i P. Degut a això es produeix la difusió de portadors que crea un camp elèctric a la regió de buidament. Conseqüentment, i degut al camp elèctric, hi haurà un moviment de portadors en forma de corrent de deriva. En aquest procés, els electrons de la part P es mouran segons el camp cap a la regió N i les vacants de la regió N es mouran en el mateix sentit que cap a la regió P.
2.1.3 Potencial a la unió PN. Built-in Voltage, Vbi El Built-in Voltage, Vbi, o potencial a la unió PN, és la diferència de potencial associat a la diferència Tenint present que les densitats de vacants, assumint que el nombre de portadors és igual al dopatge, venen donades per: 26 Grau en Nanociència i Nanotecnologia 2.1.4 Noelia Hernández Lobato Llargada de la regió de buidament. Conceptes de xn, xp i W.
La llei de Poisson ens diu que: Definim W com la llargada de la regió de buidament, xp com la llargada de la regió P i xn com la llargada de la regió N.
A la regió 0<x<xn tenim que: A la regió -xp<x<0 tenim que : Tenim tres incògnites ( Obtenim les solucions següents: 27 i tres equacions: Grau en Nanociència i Nanotecnologia 2.1.5 Noelia Hernández Lobato Capacitància de buidament La regió de unió PN pot interpretar-se també com un capacitància, ja que emmagatzema càrrega lliure entre les zones neutres P i N.
28 Grau en Nanociència i Nanotecnologia Noelia Hernández Lobato 2.2 UNIÓ PN FORA DE L EQUILIBRI rn.
Ànode: pol positiu Càtode: pol negatiu 2.2.1 Forward Bias.
N) i el càtode (tipus P) .
Es pot fer de dues maneres que es disminueixi el Built-in Voltage, o bé a la inversa, disminuint el potencial en el càtode i deixant A la figura de dalt, el corrent anirà des del pol positiu cap al pol negatiu, de manera que els electrons aniran des del pol negatiu (per difusió degut a que provenen un semiconductor N) cap al positiu, mentre pol positiu fins al negatiu.
regió de buidament , el camp elèctric a aquesta regió serà també menor i per tant, els portadors trobaran menys resistència a oposar-se al camp elèctric i pel camp elèctric, en aquest cas no).
29 Grau en Nanociència i Nanotecnologia Noelia Hernández Lobato La quantitat de portadors que difonguin i, per tant, la intensitat serà proporcional exponencialment al 2.2.2 Reverse Bias.
Al contrari que fèiem abans, en aquest tipus de funcionament es vol augmentar la diferència de potencial el transport per difusió dels portadors i no hi hagi corrent. Això ho p potencial del càtode, o bé, augmentant el potencial del ànode i deixant el càtode fixe.
la regió de buidament, , el camp elèctric en aquesta regió també serà major i per tant, hi haurà una major oposició a que els portadors travessin aquesta zona mitjançant la difusió. En conseqüència, la intensitat que passi per la unió PN serà menor degut a que es basa únicament en fenòmens de difusió.
30 Grau en Nanociència i Nanotecnologia 2.2.3 Noelia Hernández Lobato Corba Intensitat-Voltatge (I-V) Ideal.
2.2.4 Ionització de impacte: Hi ha un increment moderat del corrent invers.
Breakdown by ZENER tunneling: Pot donar-se transport mitjançant efecte túnel entre la banda de valència i la banda de conducció, de manera que pot donar-se un increment del corrent a corrent Zener.
31 Grau en Nanociència i Nanotecnologia Noelia Hernández Lobato Recombinació a la zona de buidament: - 2.2.5 On Resistència en sèrie: Quan el corrent és gran, hi ha una caiguda de potencial entre les zones neutres P i N i per tant, es comporten com a resistors.
Resum és el 32 Grau en Nanociència i Nanotecnologia Noelia Hernández Lobato 2.3 CURVA I-V D UN DIODE. COMPORTAMENT DINÀMIC.
2.3.1 Equació dels portadors minoritaris. (Minority Carrier Equation) La densitat de corrent total deguda als electrons serà: determinada quantitat.
On el terme Gn fa referència a la generació de portadors (per exemple deguda a una excitació mitjançant h ) i Rn fa referència als fenòmens de recombinació.
Ara suposem: - Només parem atenció als canvis en els portadors minoritaris, és a dir, als electrons en una funció de la posició i el temps seguiria la següent expressió: - El camp elèctric serà molt petit i el podem considerar nul, - La distribució dels portadors minoritaris no depèn de la posició: - La recombinació ve determinada per un temps de relaxació, Rn: On n , de manera que: és el temps de recombinació.
Imposant aquestes condicions arribem a equació dels portadors minoritaris: Que només és vàlida per electrons en una regió P o per vacants en una regió N. El factor de generació és ser la irradiació amb llum.
33 Grau en Nanociència i Nanotecnologia 2.3.2 Noelia Hernández Lobato Condicions de contorn per els portadors minoritaris Fins ara sabem que: Hem definit que: - np pn és el nombre de vacants a la regió N (minoritàries) nn pp Per arribar a les condicions de contorn hem de fer una sèrie de càlculs: Procedint de la mateixa manera arribem que: .
34 Grau en Nanociència i Nanotecnologia 2.3.3 Noelia Hernández Lobato Solució de la equació de portadors minoritaris en una unió PN -Xp Xn Tenint present que: Si assumim que: GL=0 i assumim estat estacionari Les condicions de contorn són: - Per a un díode llarg: Obtenim, doncs: On els factors L son les llargades de difusió: 35 d/dt=0.
Grau en Nanociència i Nanotecnologia Noelia Hernández Lobato Llavors, la densitat de corrent total serà: Per tant la intensitat total del díode, per un voltatge aplicat: 2.3.4 Quan es treballa amb voltatges compostos per un voltatge dc es pot és una magnitud que circuit. Podem descriureo admitància (Y, siemens): On R és la resistència i X la reactància. O bé: manipular els senyals sinusoïdals, on La capacitat de buidament (CJ amb polarització reversa. La resistència o conductància, rd, indica la caiguda de potencial deguda al corrent. La capacitat de difusió, CD extrems oposats de la unió quan hi ha polarització directa.
36 Grau en Nanociència i Nanotecnologia 2.3.5 Noelia Hernández Lobato Conductància Inversa de la resistència: 2.3.6 Capacitància de buidament regió de buidament (tot i que al llarg del semiconductor es conservi la neutralitat global).
Llavors: 2.3.7 Capacitància de difusió: és el temps de trànsit 37 Grau en Nanociència i Nanotecnologia Noelia Hernández Lobato 2.4 APLICACIONS EN CIRCUITS AMB DÍODES.
2.4.1 Light Emiting Diode) distància que les llums incandescents necessitant molta menys energia.
Els electrons i les vacants es recombinen emeten fotons que tenen .
El funcionament de la radiació LED es basa en utilitzar una unió PN amb polarització directa on els electrons són enviats des de la regió N cap a la regió P. Un cop els electrons arriben a la regió P es recombinen amb electró.
2.4.2 Cel·les Solars basades en una unió PN El funcionament de les cel·les solars es basa en una unió PN en polarització reversa on, quan un fotó arrib a la regió de buidament genera un parell electró-vacant. Ambdós portadors comencen a Degut que la potència ve donada pel producte de la intensitat pel voltatge, en algunes circumstàncies aquests dispositiu pot ser útil 2.4.3 2.4.3.1 Resolució de circuits elèctrics amb díodes Mètode exacte (difícil) Apliquem les lleis de Kirchhoff: 38 Grau en Nanociència i Nanotecnologia Noelia Hernández Lobato o prenent aproximacions.
2.4.3.2 Mètode aproximat: model (molt simple) problema hem de fer una suposició, és a dir, prenem que el díode es troba en mode ON (conducció) o OFF (circuit obert).
Un cop hem resolt el sistema, hem de demostrar que la nostra suposició és certa i per això realitzem un test: Equació ON (actua com un cable) OFF (circuit obert) 2.4.3.3 Test de comprovació I>0 V+-V-=V<0V V+-V-=0V I=0A Mètode . (*Utilitzarem aquest).
mètode, quan el díode es troba en ON, aquest es substitueix per una font de potencial V .
39 Grau en Nanociència i Nanotecnologia Noelia Hernández Lobato El test de comprovació en aquest cas serà: Equació ON (actua com una font V =0.7V) V+-V-=V OFF (circuit obert) I=0A 2.4.4 Test de comprovació I>0A V+-V-=V<V Portes digitals amb díodes En electrònica resulta molt més útil fer servir senyals digitals en comptes de senyals analògiques. El motiu molt de soroll, el senyal acabarà sent irrecognosible. Tanmateix, un senyal digital format per 1s i 0s continuarà sent recognoscible tot i haver soroll.
A la dreta es mostra una porta lògica de tipus AND, és a dir, implementa la conjunció lògica. La conjunció lògica vol dir que només hi haurà senyal positiva de sortida quan t siguin també positives. En el cas que siguin totes negatives o hi hagi una barreja de positives i negatives, la senyal de sortida serà negativa. Aquest comportament es pot resumir en la següent taula de veritat: INPUT OUTPUT A B AiB 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 En aquest exemple: INFORMACIÓ DIGITAL BIT ON: UN 1 BIT OFF: ZERO 0 2.4.5 SENYAL ELÈCTRICA Voltatge 5V Voltatge 0V Retallador analògics amb díodes contenen només un díode es diuen retalladors de primer nivell mentre que els que contenen dos díodes retalladors de segon nivell.
40 Grau en Nanociència i Nanotecnologia Noelia Hernández Lobato Retallador de primer nivell: 2.4.6 Retallador de segon nivell: Circuits rectificadors Concepte de transformador elèctric Un element bastant típic dels convertors AC-DC és un transformador. Està A1 de la un senyal AC de sortida amb una amplitud més petita A2=A1/N.
Rectificador de mitja-ona: Rectificador amb ponts de díodes: 41 Grau en Nanociència i Nanotecnologia Noelia Hernández Lobato i D4 estan ON, mentre que D2 i D3 estan OFF.
OFF.
Per filtres i conversors AC-DC mirar annex a les diapositives.
42 ...

Comprar Previsualizar