Microelectrnica I Captulo 3 Circuitos Integrados Digitales De

Microelectrónica I Capítulo 3 Circuitos Integrados Digitales De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

MICROELECTRÓNICA I Capítulo 3. Índice 3. - De la unión P-N al diodo de unión - El diodo varactor - El diodo túnel - El diodo PIN - El diodo IMPATT - Los diodos electroluminiscentes - El diodo láser - Los fotodiodos y células solares Circuitos Integrados Digitales De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

El diodo de unión P-N Metal Regiones sobredopadas P+ P N N+ Plano de la unión Contacto óhmico La región sobredopada permite hacer contactos óhmicos, no rectificadores: I I V V Circuitos Integrados Digitales Vγ=0. 4 V De la Unión P-N al Diodo de Unión Metal-SC(P, N): Contacto Schottky (rectificador) Unión Metal-SC(P+, N+): Contacto óhmico Microelectrónica I

Aplicaciones del diodo de unión Característica I-V del diodo: VB I IS Vγ Aplicaciones: - Rectificador (V > VB) - Estabilizador de tensión (Vγ , VB: Diodo Zener) - Termometría (IS depende de la temperatura) Circuitos Integrados Digitales V Además: -Efectos capacitivos (Diodo Varactor) -Efectos cuánticos (Diodo Túnel) -Alta potencia (Diodo PIN) -Alta frecuencia (Diodo IMPATT) -Aplicaciones ópticas (fotoemisores: LED, láser; foto-receptores: fotodiodos, células solares) De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

El diodo varactor (varicap) (I) Comportamiento capacitivo de la unión P-N: ρ (C cm-3) P N p q. ND n dxp + dxn dxp Orden de magnitud: ε 0 = 8. 85 x 10 -14 F/cm εSC = 12 W = 10 μm CZCE = 1 n. F/cm 2 Si A = 10 -2 cm 2 → C ~ 10 p. F dxn x x -q. NA d. V → dxn, dxp → d. Q = q. NDdxn = q. NAdxp Respuesta instantánea (portadores mayoritarios): τ ~10 -12 s Aplicaciones en sistemas de telecomunicación (procesadores de señal): sintonizadores, mezcladores, multiplicadores de frecuencia Circuitos Integrados Digitales De la Unión P-N al Diodo de Unión CZCE Modelo del condensador de láminas planoparalelas Microelectrónica I

El diodo varactor (varicap) (II) Unión asimétrica P+N polarizada en inversa: 1/C 2 ρ (C cm-3) q. ND dxp + dxn x V -q. NA NA >> ND → W ~ xn =(2εSCε 0 V/q. ND)1/2 Circuitos Integrados Digitales Técnica de caracterización de semiconductores: Obtención experimental del nivel de dopado De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

El diodo túnel (I) Unión P++N++, realizada con semiconductores degenerados (NA, ND ≈ 1019 cm-3): ZCE muy estrecha, nivel de Fermi dentro de las bandas. (1) Débil polarización directa Polarización nula P++ N++ P++ EC P++ N++ EF E EC F W EV → Flujo de electrones por efecto túnel en ambos sentidos Circuitos Integrados Digitales EV EFP N++ EC EC EV (2) Polarización directa EFN EC EV → Flujo de electrones por efecto túnel sólo de N a P (corriente directa) EV EFP EFN EC EV → El Flujo de electrones por efecto túnel de N a P disminuye al aumentar la polarización (resistencia incremental negativa) De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

El diodo túnel (II) (3) Polarización directa elevada P++ EC N++ electrones P++ EFN EC EV EFP (4) Polarización inversa huecos EV EC EV N++ → Flujo de electrones por efecto túnel sólo de P a N (corriente inversa) EFP EFN EC Se comporta como una unión P-N en directa: flujo de mayoritarios en ambos lados Circuitos Integrados Digitales EV De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

Característica I-V del diodo túnel I (2) V (1) (4) Circuitos Integrados Digitales (3) (1), (2) y (4) : Efecto túnel. (2): I decrece si V crece: resistencia incremental negativa. Aplicación en el ámbito de los osciladores. (3): Comportamiento habitual de una unión PN (4): Corriente inversa elevada: el dispositivo no es rectificador. De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

El diodo PIN (I) l Estructura P+IN+ (I: semiconductor intrínseco) ρ (C cm-3) P+ I q. ND N+ x En la región intrínseca, ρ(x) = 0. Por tanto, por la ecuación de Poisson, el campo eléctrico es constante: -q. NA E (V/cm) x Emáx Circuitos Integrados Digitales De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

El diodo PIN (II) Estructura realista: P+πN+ y P+νN+ (π: ligeramente P, ν: ligeramente N) ρ (C cm-3) q. ND x -q. NA E (V/cm) x Emáx Circuitos Integrados Digitales E (V/cm) x Emáx De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

El diodo PIN (III) E (V/cm) x Emáx P+N P+IN+ Emáx Aplicaciones: control de señales (atenuadores, desplazadores de fase, interruptores y limitadores) Circuitos Integrados Digitales En la estructura P+N se tiene mayor valor del campo máximo y un potencial (área del triángulo) menor que en la estructura P+IN+. En la estructura P+N podría alcanzarse el campo crítico (el que produce la ruptura) con tensiones de trabajo menores que en el caso de las estructuras P+IN+. Por tanto la estructura P+IN+ es apta para trabajar con altas tensiones (alta potencia). De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

El diodo IMPATT (Impact Ionization Avalanche Transit Time) (I) Dispositivos de tiempo de tránsito en avalancha: IMPATT, TRAPATT, BARITT. . . Precursor: Diodo Read. Estructura del diodo IMPATT: N+ + E π E - P+ Emáx= Ecrít. x Circuitos Integrados Digitales Al aplicar una polarización inversa suficientemente elevada, en la unión N+π se generan pares electrón-hueco. Los huecos, arrastrados por el campo eléctrico, recorren la región π hasta alcanzar el terminal negativo del dispositivo. En la región π reina un campo eléctrico muy elevado, por lo que los huecos la recorren a la velocidad térmica: vth ~ 107 cm s-1 → Dispositivo de alta frecuencia. De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

Diodo IMPATT (II) v i T/2 Si se elige la frecuencia de la señal de excitación (e. d. , de la tensión que lleva al dispositivo a la ruptura) de modo que su período sea dos veces el tiempo que invierten los portadores en alcanzar el contacto πP+, se tiene que entre la tensión aplicada y la corriente generada existe un desfase de 180 º. t T Existe un semiperíodo entre el valor máximo de v (tensión de ruptura) y el valor máximo de i (corriente generada), lo que indica una resistencia incremental negativa → aplicaciones en el ámbito de los osciladores. Circuitos Integrados Digitales T = 2 Δt El tiempo Δt es muy bajo, por lo que T también lo es → la frecuencia es muy elevada De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

Aplicaciones ópticas del diodo de unión l l Dispositivos Electroluminiscentes: Reciben un estímulo eléctrico y producen una señal luminosa. - Diodos Electroluminiscentes (LED) - Diodos Láser Dispositivos Fotodetectores: Reciben un estímulo luminoso y producen una señal eléctrica. - Foto-resistencias - Fotodiodos Circuitos Integrados Digitales De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

Los diodos electroluminiscentes (LED) (I) l Electroluminiscencia: Es la emisión de luz consecutiva a la excitación eléctrica de un material. l Diodos Electroluminiscentes (LED): Al polarizar en directa un diodo de unión P-N, se genera un exceso de portadores a ambos lados de la unión y, si el material se elige adecuadamente o se dopa convenientemente, la recombinación directa o indirecta de estos portadores en exceso da lugar a una emisión de fotones. En el proceso de recombinación con emisión de fotones, la energía del fotón emitido es la diferencia entre los niveles de energía superior (antes de la transición) e inferior (después de la transición). Aplicaciones: Anuncios luminosos, señales de tráfico, lámparas de luz blanca, electrónica del automóvil, analizadores de sangre… Circuitos Integrados Digitales De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

Los diodos electroluminiscentes (LED) (II) EC EC ET EV EV Banda-banda A través de centros electroluminiscentes Energía de un fotón: E = hν = hc/λ Ha de cumplirse: hν > (EC –EV) = ΔEG h: constante de Planck: 6. 62 x 10 -34 J s = 4. 14 x 10 -15 e. V s ν : frecuencia de vibración c : velocidad de la luz 3 x 1010 cm/s λ: longitud de onda Circuitos Integrados Digitales De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

Los diodos electroluminiscentes (LED) (III) Espectro visible: Violeta (0. 41 μm) – - - Rojo (0. 70 μm) Color característico de los diferentes materiales: Material ΔEG (e. V) λ (μm) Color Ga. As 1. 43 0. 87 Infra Rojo Al. Ga. As > 1. 43 0. 65 – 0. 68 Rojo Al. Ga. P 1. 77 0. 70 Rojo (1) Ga. P 2. 24 0. 55 Verde (2) Si. C 2. 6 0. 47 Azul (3) Obtención tradicional de los colores primarios (1): 8 veces más brillantes que (2) 100 veces más brillantes que (3) Circuitos Integrados Digitales De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

Los diodos electroluminiscentes (LED) (IV) 1993: Nichia, firma japonesa (Shuji Nakamura) Ga. N (0. 45 μm) → Azul In. Ga. N (0. 55 μm) → Verde Comparables en brillantez a los rojos 1999: Dopado del Ga. N con tierras raras Dopante Color Erbio (Er) Verde Praseodimio y Europio (Pr, Eu) Rojo Tulio (Tm) Azul Er y Tm Verde agua Circuitos Integrados Digitales 2002: ¡El silicio también emite luz! Capa de Si. O 2 enriquecida con nanocristales de silicio y dopada con tierras raras (erbio, cerio) Estos colores se ajustan mejor al sistema NTC (National Television System Committee) De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

El diodo láser (I) Amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación (Light amplification stimulated emission radiation, LASER). El haz láser está constituido por una emisión de luz coherente (fotones de la misma frecuencia y en fase → potencia máxima). Conceptos básicos: i) Emision estimulada vs. emisión espontánea EC hν hν EV EV Espontánea Circuitos Integrados Digitales EC El fotón incidente y el emitido tienen la misma frecuencia y fase (luz coherente) Estimulada De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

El diodo láser (II) Conceptos básicos: ii) Inversión de población: La emisión estimulada debe prevalecer sobre la emisión espontánea y sobre la absorción. Por tanto se necesita que haya más portadores en el estado excitado que en el estado fundamental. l EFn EC EV Los cuasi-niveles de Fermi están dentro de las bandas: hay electrones y huecos en exceso EFp ● Conceptos básicos: iii) Cavidad láser: Es preciso que los fotones emitidos permanezcan en la zona activa del dispositivo para contribuir a la emisión estimulada. Circuitos Integrados Digitales De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

El diodo láser de doble heterounión (Alferov y Kroemer 1967. Nóbel de Física 2000) Δn: coeficiente de absorción óptica Circuitos Integrados Digitales De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

Fotodetectores l Los fotones con energía suficiente pueden generar portadores en exceso en un semiconductor: - En las foto-resistencias, esta generación de portadores se produce en una zona neutra → aumenta la conductividad. - En los foto-diodos, esta generación de portadores se produce en la ZCE de una unión polarizada en inversa → aumenta la corriente inversa. Circuitos Integrados Digitales De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

Foto-resistencias Terminal V R V I 1 FR R Terminal Material fotosensible hν I 2 Electrodos FR Sustrato Terminal I 2 > I 1 Materiales fotosensibles: Cd. Se, Pb. S, Cd. S Material fotosensible Electrodos Terminal Circuitos Integrados Digitales De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I

Fotodiodos En oscuridad Bajo iluminación E hν P ○ • N • A I VR El campo eléctrico separa al electrón y al hueco y hace que ambos contribuyan a la corriente inversa. Este efecto se produce para cualquier estado de polarización del dispositivo, ya que el campo eléctrico siempre tiene el mismo sentido. Circuitos Integrados Digitales I • C • • B D A – B: Corriente negativa y tensión positiva: Generadores fotovoltaicos o células solares B – C: Fotodiodos C – D: Fotodiodos de avalancha De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I V

Células Solares hν P N + - Alferov (2001): Células solares con heteroestructuras. Límite teórico de eficiencia (Tsol ~ 600 ºC): 90% Valores típicos: Si: 15 % , Ga. As: 30% → Crecimiento de un 40% en 2000 Materiales: Se, Si Circuitos Integrados Digitales De la Unión P-N al Diodo de Unión Microelectrónica I