TRABAJO PRÁCTICO

TEMA

UNION P-N

CURSO : FISICA ELECTRÓNICA

ALUMNO : LUIS MENDOZA BECERRA

CARRERA : INGENIERIA DE SISTEMAS

UNION P-N

Diodo de unión PN polarizado

Se entiende como polarización de una unión p-n a la aplicación externa de una diferenciade potencial continua o con un determinado sentido a la unión. La polarización deldiodo puede ser en directa o en inversa, como veremos a continuación.

Unión p-n polarizada directamente

La unión p-n está polarizada directamente cuando a la región p se le aplica un potencialmayor que a la región n. Para ello, tal y como se ve en las Figuras 5.1 y 5.2, se debeconectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo (zona p) y el polo negativo alcátodo (zona n).

Unión p-n polarizada en directa.

Representación circuital del diodo polarizado en directa y conexión real

En estas condiciones podemos observar los siguientes efectos:

Los huecos de la región p y los electrones de la región n son empujados hacia la unión porel campo eléctrico Epol a que da lugar la polarización. Por lo tanto, se reduce la anchura dela zona de transición.

El campo eléctrico de la polarización Epol se opone al de la unión Eu. Así, se reduce elcampo eléctrico de la unión y, consecuentemente, la barrera de potencial. Recordar que,como vimos en el Tema 4, la barrera de potencial sin polarización es VJ=Vo. Con lapolarización directa de la unión p-n se reduce en la forma VJ=Vo-V, siendo V la tensióndirecta aplicada a dicha unión, tal y como se muestra en la figura siguiente.

VpVJ=Vo-V Vn

v

p n

I

LA LEY DE SHOCKLEYEn este applet se explica la ecuación corriente-tensión de un diodo ideal PN (también llamadaecuación de Shockley). Se podrá investigar con la ecuación I=Io[exp(qV/kT)-1] al trabajar con elprograma.Todas las componentes que componen la corriente total del diodo se muestranmediante una animación visual interactiva. Puede verse que la corriente de arrastre esindependiente de la polarización aplicada. Para la corriente de inyección con polarización directase puede observar su dependencia exponencial con la polarización directa aplicada. Conociendo ladistribución del exceso de portadores minoritarios en cátodo resulta fácil conocer la corrientetransportada por ellos puesto que es debida fundamental a difusión.

Observando el diagrama se ve que entra una corriente I de electrones por un lado y por el otrosale una corriente I debida a huecos. Esto significa que en el diodo tiene lugar una transformaciónpor medio de la recombinación, de la corriente de huecos en corriente de electrones y viceversa.Por ello, la corriente que atraviesa el diodo será igual al número total de portadores recombinadospor unidad de tiempo en todo el diodo puesto que cada recombinación requiere un electrón, queentra por cátodo y un hueco, que entra por ánodo.

Sin embargo en el modelo ideal la recombinación en la zona dipolar vale cero y resulta máscómodo determinar la corriente del diodo sumando las corrientes de electrones y huecos en unpunto en el que ambas sean conocidas simultáneamente. el diodo directa o inversamente, pues enpolarización directa se establecen enseguida corrientes muy elevadas a poca diferencia depotencial que se aplique al diodo, mientras que en polarización inversa, por muy alta que sea latensión nunca se obtiene una corriente mayor que Jsat, que viene a ser del orden de 100 pA/cm2.Según esto el diodo se comporta casi como un cortocircuito en polarización directa y casi como uncircuito abierto en polarización inversa.

El convenio que se ha utilizado en el programa es el siguiente: Puntos móviles: rojo = huecos, azul = electrones .Regiones coloreadas: rojo = tipo-p, azul = tipo-n. p(x=0) = concentración de huecos en exceso en la frontera de deplexión (x=0) = concentración de electrones en exceso en la frontera de deplexión Lp = longitud de difusión de huecos. Ln = longitud de difusión de electrones. I = corriente total In(x) = corriente de electrones (curva azul) Ip(x) = corriente de huecos (curva roja)

Cerca de la frontera de la zona de deplexión, la concentración de huecos minoritarios está porencima de la concentración en equilibrio térmico debido a esos huecos inyectados eléctricamente.En la región neutra hay dos procesos activos para los huecos minoritario sin yectados:(1) difusión y (2) recombinación.

(1) Difusión: Hay más huecos cerca de la frontera de deplexión que en el interior de la región-n.Por lo tanto se produce una difusión térmica, resultando en un flujo neto de huecos (rojo)alejándose de esa frontera.(2) Recombinación: La concentración de huecos tenderá a recuperar su valor en equilibrio térmico,y entonces intentará librarse del exceso de huecos (p(x=0)). Este exceso de huecos sufre unarecombinación con los electrones que son los portadores mayoritarios que aniquilan los huecos yelectrones formando pares (flujo vertical de puntos rojos). Algunos electrones perdidos(portadores mayoritarios) son rápidamente repuestos a través del contacto óhmico y el cablemetálico del lado más lejano de la región tipo-n. Este mismo argumento se aplica a los electronesminoritarios inyectados .El diagrama de en medio puede ser visto como un diagrama de bandas,pero la banda a través de la región de deplexión no se muestra aquí. Los procesos de difusión yrecombinación conjuntamente producen un perfil de concentración exponencial para los huecosminoritarios, como puede verse en el la segunda gráfica (parte inferior derecha en rojo). Para unadeterminada polarización directa constante, el número de huecos inyectados a través de la uniónpor unidad de tiempo iguala al número de huecos perdidos por recombinación, estableciéndoseentonces una situación estacionaria (es decir, constante en el tiempo).La componente de huecosde la corriente total se muestra en la curva en rojo de la tercera figura. Desde la izquierda a laderecha, la corriente de huecos en la región tipo-p es una corriente de arrastre (debida al pequeñocampo eléctrico en la región neutra tipo-p, en rojo),corriente de arrastre en la región de deplexión(debida al campo eléctrico en su interior), y corriente de difusión en el lado-n (azul) debido algradiente de concentración .La concentración de huecos minoritarios en exceso llega a cero en undeterminado punto. Los electrones (azul) son inyectados desde el lado-n (azul) a el lado-p (rojo)atravesando la unión (o región de deplexión, gris).Siguen el mismo proceso que los huecos.Cuando el applet aparece por primera vez en la pantalla, comenzará automáticamente laanimación. En el panel de control superior tenemos una serie de botones que sirven paracontrolar esta animación. Si se quiere cambiar algún parámetro hay que pulsar el botón “Parar”,de este modo se detiene la animación y se activan tanto los controles del panel superior como losinferiores. En las casillas de verificación superiores se puede seleccionar los diagramas que sedeseen que aparezcan, así como los parámetros característicos dentro de los mismos. Una vezrealizada la selección hay que volver a activar la animación con el botón “Inicio” para poderobservar los cambios realizados.También se dispone del botón “Pausa” para poder detener momentáneamente la animación. Peroen este caso no se pueden modificar los parámetros. Hay que continuar la ejecución pinchando denuevo en el mismo botón que habrá cambiado su etiqueta anterior y ahora reflejará “Continuar”.En el panel de control inferior hay cuatro listas desplegables. La primera de ellas es para cambiarla polarización, donde podremos seleccionar tanto valores positivos como negativos. De estemodo se puede estudiar el comportamiento del dispositivo con polarización directa e inversa. Ensegundo lugar tenemos el control de temperaturas que servirá para observar los cambios relativosrespecto a variaciones de 5º en torno a la temperatura ambiente que se utiliza por defecto. Losdos últimos controles son de sobra conocidos ya que no es la primera vez que aparecen en eltutorial. Obviamente seleccionarán el nivel de las impurezas aceptoras y donadoras en ánodo ycátodo respectivamente.

CONMUTACIÓN DEL TRANSISTOREn este applet se simula la conmutación de un diodo, pudiendo cambiar la tensión aplicada en susbornas de positiva a negativa y viceversa. Para ello se dispone del esquema de un circuito con dosfuentes de tensión (una positiva y otra negativa) y un conmutador, un circuito de polarización (queincluye una resistencia) y un diodo de unión. Este esquema se situa en la parte superior derechadel applet y se puede conmutar entre tensiones haciendo "click" con el ratón en la zona entre lasdos fuentes de tensión. Al iniciar la aplicación aparecerá un mensaje y una flecha que señala lamencionada zona sensible.

El usuario puede modificar todos los parámetros del circuito presionando el botón del panelsuperior con el texto "Parámetros ciscuito". Al presionarlo aparecerá una ventana con tres camposeditables donde se pueden introducir los valores numéricos deseados para la tensión directa (VF),la tensión inversa (VR) y la resistencia de polarización (R). Tras introducir los nuevos valores esnecesario pulsar el botón "Aceptar" de la ventana de los parámetros del circuito para que tenganefecto los cambios.

Debajo del circuito aparecen cuatro gráficas que varían en el tiempo y donde se representan losparámetros más importantes que controlan el comportamiento del diodo. La primera gráficarepresenta la tensión seleccionada en el circuito; la segunda la corriente que circula por el diodo;la tercera la carga acumulada en las zonas neutras del diodo (aplicando la aproximación de diodoasimétrico) y la última gráfica es la tensión que cae en bornas del diodo. Esta cuatro gráficas se vanactualizando en el tiempo y se irán desplazando hacia la derecha conforme avance el tiempo.

En la parte superior de la derecha del programa aparecen las ecuaciones que rigen elcomportamiento del diodo en el experimento que se simula. Se muestran las ecuaciones literalespara la carga del diodo, la tensión en bornas del diodo y para los perfiles de los minoritarios en elánodo y al cátodo. Justo debajo de cada una de estas ecuaciones se muestran las mismas perosustitutendo cada variable por al valor actual que tiene en la simulación. Algunos de losparámetros son constantes en el tiempo (hasta que se modifican por parte del usuario), pero otrosse modifican instantáneamente conforme evoluciona el tiempo. También, a la derecha de lasgráficas, se nuestran los valores intantáneos para estas funciones temporales.

Para modificar los parámetros del diodo se debe presionar el botón del panel superior"Parámetros Diodo". Cuando se hace se despliega una nueva ventana donde se podrán modificarlos parámetros: las concentraciones de impurezas del ánodo y el cátodo, los tiempos medios devida de los minoritarios, las contantes de difusión de los huecos y electrones, el área de la unión, latensión de disrupción y la capacidad media equivalente de la unión para inversa. Tras introducirlos nuevos valores es necesario pulsar el botón "Aceptar" de la ventana de los parámetros delcircuito para que tengan efecto los cambios.

Debajo de las ecuaciones apare una imagen donde se representa, instantáneamente, los perfilesde minoritarios que hay en el ánodo y en el cátodo, así como la anchura de la zona espacial decarga. El valor de los perfiles para x=0 (junto a la zona dipolar) se muestra también, así como el

valor de los que penetra la zona dipolar en las zonas N y P del diodo. Debajo, para todo momento,aparece el estado en que se encuentra el diodo (Directa, Inversa o Disrupción).

En el panel inferior aparecen ocho botones que permiten configurar la apariencia de la zona de lasfunciones temporales y la simulación temporal del applet. Los cuatro botones de la izquierdapermiten ocultar o mostrar cada una de las gráficas de las funciones. Así se podrá ocultar algunade ellas si no se está interesado en ella en algún momento para centrarse en la evolución ycaracterísticas de otras. Los cuatro botones de la derecha permiten variar la velocidad desimulación. Con dos de ellos se puede acelerar o frenar la simulación y con los tros dos se puededetener y avanzar paso a paso. El botón de siguiente paso sólo estará activo cuando la simulaciónesté pausada.

Por defecto aparecerá un nuevo valor en las funciones cada microsegundo. Este parámetro nopodrá ser modificado por el usuario.