Diodos Semiconductores
Cuando un semiconductor presenta simetría de traslación en torno a cierto eje, se acostumbra a representar el diagrama de bandas de energía, no ante la cantidad de movimiento, sino ante la dimensión longitudinal. En la figura se representa el mínimo de la banda de valencia y el máximo de la banda de conducción de un semiconductor tipo n y otro de tipo p.
El carácter tipo p ó n de un semiconductor intrínseco depende de la posición relativa del nivel de Fermi entre las bandas de valencia y conducción. En un semiconductor tipo p el nivel de Fermi está más próximo a la banda de valencia que a la de conducción. En uno tipo n, ocurre lo contrario.
Cuando se ponen en contacto un semiconductor de tipo p con uno de tipo n, el exceso de huecos en la zona p provoca una corriente de difusión de huecos que se desplaza hacia la zona n, al tiempo que otra corriente de difusión de electrones viaja desde la zona n, en la que son mayoritarios, a la zona p. Cada hueco que pasa a la zona n deja en la zona p una carga ligada o ion fijo de impureza aceptora, mientras que los electrones que se dirigen a la zona p dejan en la región n iones fijos de impurezas donadoras.
En esta situación tiene lugar el proceso de formación de una región de carga espacial, formada por iones no compensados a ambos lados de la unión, que provoca la aparición de un campo eléctrico que tiende a desplazar a los huecos en el sentido del campo, y a los electrones en sentido contrario. Aparece entonces una corriente de arrastre que se opone a la de difusión.
Cuando se alcanza la situación de equilibrio, los flujos de difusión y arrastre se compensan y se crea una región de deplexión, vacía de portadores de carga libres.
Desde el punto de vista cuántico, el diagrama de bandas de energía de la unión p-n adopta la forma que se indica en la figura. Resulta útil considerar a los electrones como partículas pesadas, por lo que tienden a ocupar los niveles inferiores de la banda de conducción, mientras que los electrones pueden asimilarse a burbujas dentro de un líquido, por lo que tienden a ocupar los estados superiores de la banda de valencia. De esta manera, la curvatura del diagrama de bandas se opone a la difusión de los portadores mayoritarios. Este fenómeno se conoce como barrera de potencial.
- Si se aplica una diferencia de potencial positiva entre el cristal p y el n, la barrera energética disminuye por debajo del valor de equilibrio térmico. En este caso, el campo eléctrico no es lo suficientemente intenso para impedir el flujo de portadores mayoritarios hacia la zona donde son minoritarios, estableciéndose una corriente que crece rápidamente con el potencial aplicado.
- Si la diferencia de potencial es negativa, la región de carga espacial se hace más ancha. Los flujos de arrastre se hacen mayores que los de difusión, estableciéndose una corriente inversa muy débil, provocada por el paso de los portadores minoritarios a la zona donde son mayoritarios.
Diodos de efecto Gunn. Dispositivos de transferencia de electrones.
Determinados semiconductores, como el GaAs o el InP presentan un diagrama de bandas de energía con la presencia de varios valles en la banda de conducción próximos entre sí. Cuando la intensidad de campo es fuerte, se produce la transferencia de electrones al mínimo más alto de la banda de conducción.
La masa efectiva de los electrones es mayor en los niveles energéticos superiores. Por tanto, la movilidad electrónica es menor que en los niveles más bajos de energía.
Como la conductividad depende de la movilidad electrónica, existe una rango de intensidades de campo eléctrico en el cual se produce transferencia de electrones desde un nivel bajo de energía a uno más alto, de tal manera que la movilidad promedio, y con ella la conductividad, decrecen cuando se aumenta la intensidad de campo.
Este fenómeno se conoce como efecto Gunn, en honor a su descubridor, y los dispositivos que lo exhiben se denominan diodos Gunn o dispositivos de transferencia de electrones (TED). No obstante, debe quedar claro que no se trata de diodos de unión p-n, sino que constan de un solo bloque semiconductor (bulk).
Si se representa la característica tensión-corriente de estos dispositivos, se aprecia que la región en la que aparece dicho efecto, exhibe una resistencia dinámica negativa. Dado que los dispositivos con resistencia negativa se pueden modelar como fuentes de tensión controladas por corriente, estos dispositivos se pueden utilizar para construir
amplificadores de microondas.
El efecto Gunn puede provocar, a su vez, oscilaciones autosostenidas, debido a que los electrones son acelerados y frenados a su paso por el diodo, lo que también los habilita para el diseño de osciladores de microondas:
- Para conseguir este modo de funcionamiento, se polariza el diodo ligeramente por debajo de la tensión de umbral V1. Si en estas condiciones, en cualquier punto del dispositivo el campo eléctrico supera el umbral, entonces se produce la transferencia de electrones al valle superior, donde la movilidad acusa un descenso.
- Se forma en este caso un pequeño dominio dipolar (dipole domain), al tener una región en la que se acumula la carga, y otra de deplexión. Este pequeño dipolo crea un campo que se suma con el de polarización, haciendo que el campo total en el dominio dipolar se eleve. Como la tensión aplicada es constante, el campo fuera del dominio dipolar baja y se estabiliza por debajo del umbral.
- Cuando el dipolo alcanza el extremo del ánodo, se produce un pico
de corriente en los terminales del diodo, lo que eleva
momentáneamente el campo por encima del umbral, haciendo que
se forme un nuevo dipolo en el cátodo y que el proceso se repita
una vez más. La frecuencia de oscilación es:
- representa la velocidad de arrastre del dipolo y L la longitud del diodo. A temperatura ambiente, esta velocidad de arrastre saturada es del orden de 107 cm/s para el caso de GaAs. Por tanto, la longitud de la región activa, para una de la frecuencia de operación típica de 10 GHz (banda X) es:
- El campo eléctrico umbral del GaAs es de unos 3000 V/cm, así que:
- Típicamente, el dispositivo se polariza con una tensión tres veces superior al valor umbral:
- En banda X, el rendimiento de un diodo Gunn operando en onda continua suele ser del 3 %. Para que la salida sea de 100 mW, la potencia de entrada debe ser:
- Por tanto, 3.2 W se disipan en forma de calor. La corriente de polarización es, en este caso:
- Como el diodo Gunn se comporta como un dispositivo de corriente constante, el circuito de polarización requiere una tensión constante, para lo que se utiliza con frecuencia la disposición mostrada en la figura.
Diodos de efecto avalancha.
Cuando en una unión p-n la tensión de polarización inversa es importante, un portador generado térmicamente se desplazará debido a la corriente de arrastre. En su movimiento, los portadores pueden adquirir tal energía que al colisionar con un ion de la red impriman suficiente energía para romper un enlace covalente. De esta forma, cada nuevo portador produce portadores adicionales (multiplicación de avalancha). El resultado es una corriente de saturación inversa elevada.Los diodos de microondas basados en este principio se conocen con los siguientes nombres:
El diodo IMPATT (también conocido como diodo Read) se suele operar en régimen pulsante, polarizándose negativamente, con una tensión de DC próxima a la de ruptura, y una señal de RF superpuesta, de tal manera que durante los semiciclos positivos de RF se produce la avalancha.
- En los semiciclos positivos de RF, el campo eléctrico en la zona de avalancha aumenta, así como la tasa de generación de nuevos portadores por efecto de la multiplicación, así que se produce un pico en la corriente de avalancha. Incluso después de haber alcanzado la tensión de RF su valor máximo, la corriente de avalancha sigue creciendo, ya que el número de portadores de carga sigue creciendo.
- Tan sólo una vez iniciado el semiciclo negativo de RF, el proceso de multiplicación de avalancha se detiene. Pero los portadores de carga que se han creado durante el semiciclo anterior deben atravesar todavía la región de arrastre, lo que induce en el circuito una corriente externa que tiene un desfase superior a 90º con la señal de RF. Como tensión y corriente se encuentran prácticamente en contrafase, el diodo exhibe una resistencia negativa, comportándose como un dispositivo activo.
- Como el diodo IMPATT se comporta como un dispositivo de tensión constante, el circuito de polarización requiere una corriente constante, para lo que se utiliza con frecuencia un transistor regulador de corriente, como el mostrado en la figura.
Fuente: http://personal.us.es/rboloix/pub_mic/mic3.pdf
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German Martinez Duarte CRF
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