Temas Fenmenos de Ruptura Juntura Desviaciones de lo

Temas • • • Fenómenos de Ruptura Juntura: Desviaciones de lo ideal Interfaces Metal-Semiconductor y Diodo Schottky Dispositivos Optoelectrónicos Referencias Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Fenómenos de Ruptura Inversa • Avalancha • Zener Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Tensión de ruptura inversa Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Tensión de Ruptura inversa Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Avalancha Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Tensión de Ruptura cuando Ecr independiente del dopado Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Zener • Efecto túnel en un diodo en inversa • Partícula atraviesa la barrera (sin modificar su energía o la de la barrera) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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 (10 nm) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Zener • Cuanto mayor la tensión inversa, mayor la cantidad de estados a ambos lados: mayor corriente inversa • En Si, Xd < 10 nm, para dopados > 10 e 17 / cm 3 (dopado fuerte en ambos lados) • Tensión de ruptura pequeña – Efecto dominante cuando VBR < 5 V Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Zener y Avalancha • Avalancha: – VBR aumenta con aumento de Temperatura • Zener – VBR disminuye con el aumento de la Temperatura – Característica de ruptura suave Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Juntura: Desviaciones de lo ideal Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Factores no ideales • Entre 0. 35 V y 0. 7 V, pendiente esperada q/KT • A tensiones mayores que 0. 7 V, pendiente disminuye: – Altos niveles de I • A tensiones menores de 0. 35 V, mayores corrientes (pendiente q/2 KT – Recombinación y generación en la zona de vaciamiento – También produce incremento de I en inversa Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Interfaces Metal-Semiconductor y Diodo Schottky Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Interfaz metal - semiconductor Electron affinity workfunction Diff. to Fermi level Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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MS diode Forward conduction dominated by electron injection from semiconductor into metal Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

El diodo Schottky Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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 Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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 Semicoductores - DIEC/UNS

Dispositivos Optoelectrónicos Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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Fotodiodos • • Tip. Si o Ga. As Un fotón produce un par hueco-electrón. La circulación de estas cargas produce corriente Captación: – 250 nm – 1100 nm para Si y 800 nm – 2 um para Ga. As • Importante: Capacidad de capturar los electrones antes que se recombinen • Eficiencia cuántica: relación entre fotones que impactan y electrones de I Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Fotodiodos • Factores Importantes – – – Velocidad de respuesta Eficiencia cuántica Linealidad Uniformidad espacial Ruido oscuro (dark noise) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Fotodiodos Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Diodo p-i-n Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

• Hamamatsu model S 2386 silicon photodiode Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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Toshiba TPS 850 Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Light Emitting Diode (LED) Definition: a semiconductor device that emits incoherent narrow-spectrum light when electrically biased in the forward direction Courtesy of Wikipedia Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS http: //en. wikipedia. org/wiki/LED

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 Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

LED’s External quantum efficiency: is due to reflections in the Interface air-semiconductor Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

LED Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

Pares Tx-Rx Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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Optoacopladores • Aislación eléctrica entre dos circuitos. Comunicación óptica • Típicamente se utilizan haces de luz entre el rojo al infrarrojo Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

• Características importantes: – Tensión de aislación – Buena relación de transferencia – Baja capacidad de acoplamiento – Imnunidad a interferencias Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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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. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS