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Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Temas

• Fenómenos de Ruptura• Juntura: Desviaciones de lo ideal• Interfaces Metal-Semiconductor y Diodo Schottky• Dispositivos Optoelectrónicos• Referencias


Fenómenos de Ruptura Inversa

• Avalancha• Zener


Tensión de ruptura inversa


Tensión de Ruptura inversa


Avalancha

• Cuando aumenta la tensión inversa, la energía transferida por colisión aumenta

• Cerca de VBR la energía es suficiente para ionizar un átomo semiconductor (impact ionization)– Libera un electrón de

valencia– Efecto “bola de nieve”

• Incremento de I suave alrededor de VBR

• VBR aumenta con la Temp.


Avalancha


Tensión de Ruptura

cuando

Ecr independiente del dopado


Zener

• Efecto túnel en un diodo en inversa• Partícula atraviesa la barrera (sin modificar su energía o

la de la barrera)


Zener

• Efecto túnel es significativo: – Estados vacíos de un lado, y llenos del otro a la misma

energía– Ancho de la barrera de potencial pequeño (10nm)


Zener

• Cuanto mayor la tensión inversa, mayor la cantidad de estados a ambos lados: mayor corriente inversa

• En Si, Xd < 10nm, para dopados > 10e17 / cm3 (dopado fuerte en ambos lados)

• Tensión de ruptura pequeña– Efecto dominante cuando VBR < 5V


Zener y Avalancha

• Avalancha: – VBR aumenta con aumento de Temperatura

• Zener– VBR disminuye con el aumento de la Temperatura– Característica de ruptura suave


Zener y Avalancha

• Zener– ruptura suave

• Históricamente, se denomina Zener a todos los diodos que utilizan la característica de ruptura (aún cuando el efecto dominante sea avalancha)


Juntura: Desviaciones de lo ideal


Factores no ideales

• Entre 0.35V y 0.7V, pendiente esperada q/KT

• A tensiones mayores que 0.7V, pendiente disminuye: – Altos niveles de I

• A tensiones menores de 0.35V, mayores corrientes (pendiente q/2KT– Recombinación y

generación en la zona de vaciamiento

– También produce incremento de I en inversa


Interfaces Metal-Semiconductor y Diodo Schottky


Interfaz metal - semiconductor

workfunction

Electron affinityDiff. to Fermi level


MS diode

Forward conduction dominated by electron injection from semiconductor into metal


El diodo Schottky


El diodo Schottky

• Reverse bias capacitance is identical to a pn junction

• Forward bias: – Diffusion component of

current negligible– No storage of minority

carriers– No diffusion capacitance– High frequency use


Contactos ohmicos

• Imperfecciones producen barrera de potencial• Los niveles de energía no dependen del dopado• A mayor dopado disminuye la zona de vaciamiento, y se produde

la conducción por efecto túnel (contacto ohmico)


Dispositivos Optoelectrónicos


Fotodiodos

• Tip. Si o GaAs• Un fotón produce un par hueco-electrón.• La circulación de estas cargas produce corriente• Captación:

– 250nm – 1100nm para Si y 800nm – 2um para GaAs

• Importante: Capacidad de capturar los electrones antes que se recombinen

• Eficiencia cuántica: relación entre fotones que impactan y electrones de I


Fotodiodos

• Factores Importantes– Velocidad de respuesta– Eficiencia cuántica– Linealidad – Uniformidad espacial– Ruido oscuro (dark noise)


Fotodiodos


Diodo p-i-n


• Hamamatsu model S2386 silicon photodiode


Toshiba TPS850


Light Emitting Diode (LED)

Definition: a semiconductor device that emits incoherent narrow-spectrum light when electrically biased in the forward direction

Courtesy of Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/LED

http://en.wikipedia.org/wiki/LED

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:RBG-LED.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Audi-S6.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:09-02-06-RRS-PigScreen.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Al_Sheedakim_and_Panel.JPG


Light Emitting Diode (LED)

• LED v.s. Incandescent (Edison’s lightbulb) and Flourescent Bulbs– Much longer life span (105 - 106 hrs v.s. 103 / 104 hrs)– Suitable for applications that are subject to frequent on-off

cycling– Efficiency: better than incandescent but currently worse

than flourescent bulbs

Source: US Department of Energy http://www.netl.doe.gov/ssl/faqs.htm

http://www.netl.doe.gov/ssl/faqs.htm


LED Efficiency

• Internal Quantum Efficiency (ηint)– Definition: ratio of the number of electrons

flowing in the external circuit to the number of photons produced within the device

– Has been improved up to 80%

• External Quantum Efficiency– Definition: The percentage of photons that

can be extracted to the ambient.– Typically 1% ~ 10%– Limiting factor of LED efficiency– Improvement techniques: dome-shaped

package, textured surface, photonic crystal, …

Source: Lecture Note of “Optoelectronic Devices” (by Sheng-fu Horng, Dept. of Electrical Engrg, NTHU, Hsinchu, Taiwan)


LED’s

External quantum efficiency: is due to reflections in the Interface air-semiconductor


LED


Pares Tx-Rx


Optoacopladores

• Aislación eléctrica entre dos circuitos. Comunicación óptica

• Típicamente se utilizan haces de luz entre el rojo al infrarrojo


• Características importantes:– Tensión de aislación– Buena relación de

transferencia– Baja capacidad de

acoplamiento– Imnunidad a interferencias


Referencias

• Robert F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison –Wesley, 1996. Capítulos 6, 9, 14.

• Stanley G. Burns, Paul R. Bond, “Principles of Electronic Circuits”, PWS Publishing Company, 1997. Capítulo 3.

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