Semiconductors i dispositius PN: preguntes i respostes fonamentals

Pregunta 1: veracitat d'afirmacions

“Si el nivell de Fermi d'un semiconductor en equilibri està proper a la banda de conducció, el material està carregat negativament?”

Fals. En un semiconductor en equilibri la posició del nivell de Fermi no determina per si sola la càrrega total del material. La càrrega negativa dels electrons és compensada per les càrregues positives dels ions fixos de la xarxa cristal·lina (àtoms ionitzats).

“En un semiconductor en equilibri dopat amb fòsfor la càrrega total per unitat de volum mai pot ser nula”.

Fals. En equilibri electrostàtic el material és, globalment, neutre: la suma de càrregues negatives i positives dins d'un volum macroscòpic es compensa, tot i que hi hagi impureses (dopatge) que modifiquin la concentració de portadors lliures.

“En equilibri es compleix la llei de neutralitat: p + No = n + NA - Nd.”

Fals, la formulació escrita presenta confusió. La llei de neutralitat estableix que la suma de càrregues positives i negatives és igual; el fet que hi hagi més forats que electrons (o al revés) no implica necessàriament una càrrega neta si les càrregues fixes ionitzades ho compensen. Si el material era neutre abans d'afegir impureses, l'estat global de càrrega no canvia, encara que canviïn les concentracions de portadors.

Pregunta 2: què és la banda prohibida?

És l'energia mínima necessària perquè un electró passi d'un estat localitzat d'un enllaç (banda de valència) a un estat de llibertat a la banda de conducció i pugui participar en la conducció. Quan un electró abandona la banda de valència deixa un forat que també participa en la conducció. La banda prohibida (GAP) es troba entre la banda de valència (Ev) i la banda de conducció (Ec). Això s'explica seguint el model de bandes derivat del model atòmic i del principi d'exclusió de Pauli: els estats quàntics es separen formant bandes en un sòlid.

Pregunta 3: com afecta la temperatura la resistivitat d'un semiconductor?

Qualitativament, la resistivitat d'un semiconductor depèn de tres regions principals:

• Régim de congelació (freeze-out): a temperatures molt baixes la resistivitat és molt alta perquè les impureses no estan ionitzades i els portadors són escassos.
• Régim de dopatge complet (activació): a mesura que puja la temperatura, les impureses s'ionitzen i la concentració de portadors augmenta; quan totes les impureses estan ionitzades la concentració de portadors es manté aproximadament constant i la resistivitat disminueix respecte al cas de baixes temperatures.
• Régim intrínsec: a temperatures més altes predominen els electrons que es generen per excitació des de la banda de valència a la de conducció (generació intrínseca). Això incrementa fortament la concentració de portadors i redueix encara més la resistivitat.

Pregunta 4: diagrama de bandes d'una unió PN (ON i OFF)

En polarització directa (ON) la barrera de potencial disminueix, facilitant el pas de portadors majoritaris entre les regions (flux de forats des de la regió P cap a la N i d'electrons en sentit contrari). Això augmenta el corrent per difusió, que és la contribució dominant. El corrent per deriva (arrossegament) és menys important en aquesta situació per la menor contribució del camp intern.

En polarització inversa (OFF) l'altura de la barrera augmenta i els electrons i forats queden més confinats; el corrent de difusió és negligible degut a l'alta barrera i el corrent residual prové principalment dels portadors minoritaris (corrents per deriva o arrossegament). En un díode ideal el corrent invers es manté pràcticament constant amb la tensió aplicada (fins a l'interval de trencament).

Pregunta 5: com afecta la capacitat de difusió la velocitat de commutació?

Quan un díode està en polarització directa s'acumulen càrregues neutrals (portadors minoritaris injectats) a la juncció, el que provoca una capacitancia de difusió. Per commutar a invers, el díode ha d'eliminar aquesta càrrega acumulada: aquest procés té un temps característic anomenat temps d'emmagatzematge.

A alta freqüència el díode pot no ser capaç de buidar la càrrega emmagatzemada entre cicles. Per exemple, si la freqüència és 10 GHz, el període és 0,1 ns; si el temps d'emmagatzematge és d'1 ns (molt més gran), el díode no pot rectificar correctament el senyal perquè no té temps d'eliminar la càrrega entre períodes.

Pregunta 6: com s'utilitza un díode Zener?

El díode Zener es fa servir normalment en polarització inversa perquè funcioni en la regió de trencament (zona Zener). La tensió de ruptura Zener (Vz) s'utilitza en reguladors de tensió: en condicions adequades i amb un limitador de corrent, la tensió entre els terminals es manté aproximadament constant i igual a Vz malgrat variacions del corrent que travessa el díode.

Inicialment, amb una tensió inversa petita només circula un corrent de fuga. Si augmentem la tensió fins a Vz, es produeix el trencament i apareix un corrent invers significatiu; a partir d'aquí la tensió als terminals es manté pràcticament constant mentre el corrent varia dins d'un rang controlat pel circuit extern. Aquesta característica permet usar el Zener com a regulador o referència de tensió.

Pregunta 7: origen del camp elèctric a la zona de càrrega espacial

La difusió inicial d'electrons de la regió N cap a la P i de forats de la P cap a la N causa recombinació a la interfície. Això deixa al descobert ions dopants fixos a la zona de contacte: càrregues positives (donadors ionitzats) a la banda N i càrregues negatives (acceptors ionitzats) a la banda P. Aquesta separació de càrregues fixes crea la zona de càrrega espacial (depleció) i genera un camp elèctric intern dirigit de la regió N a la P, que actua com a barrera de potencial.

Pregunta 8: per què IC no coincideix amb IE en un P+NP?

Al transistor bipolar hi ha diversos corrents: una part del corrent d'emissor entra a la base i es recombina allí; aquesta recombinació de forats a la base explica per què part del corrent d'emissor no arriba al col·lector. El corrent de base (IB) és degut, en gran part, a aquestes recombinacions a la base. El corrent del col·lector (IC) correspon als portadors que arriben al col·lector sense recombinar-se.

En un dispositiu P+NP, la regió P+ està més dopada que la base P; el principi de funcionament es basa en una injecció de portadors minoritaris des de P+ cap a N i la seva difusió a través de la base. Si la base és molt estreta en comparació amb la longitud de difusió dels portadors, la recombinació a la base és mínima i la major part dels portadors arriben al col·lector; si no, més portadors es recombinen i IC és menor que IE.

Pregunta 9: funció del condensador de bypass en un amplificador BJT emissors comú

En un amplificador amb emissor comú, el guany en alterna aproximat és g ≈ Rc / Re (considerant transformacions d'impedància). Per augmentar el guany convé reduir la resistència d'emissor en alterna: afegint un condensador de bypass a l'emissor es reduïx la impedància d'emissor per a senyals alternes (el condensador ofereix un camí de baixa impedància per a les freqüències d'interès) i, per tant, el guany d'amplificació augmenta.

En contínua el condensador és un circuit obert i no altera la polarització del transistor; a molt altes freqüències el condensador es comporta pràcticament com un conductor (cable) i també deixa passar fàcilment els senyals.

Pregunta 10: per què un BJT no equival a dos díodes en antiserie?

Tot i que un transistor està format per dues unions PN (PN i NP), el dispositiu no és simplement l'acoblament de dos díodes perquè la base està dissenyada per ser molt estreta i poc dopada en relació amb la longitud de difusió dels portadors minoritaris. Això permet que els portadors injectats travessin la base per arribar al col·lector en lloc de recombinar-se immediatament, fent possible l'amplificació. En altres paraules, la geometria i dopatge específics del transistor permeten el transport de portadors a través de la base, cosa que no es dona en dos díodes connectats en sèrie.

Pregunta 11: per què cal un circuit de polarització en un amplificador BJT?

Un circuit de polarització en contínua s'utilitza per situar el punt de treball (Q-point) del transistor de manera que el senyal alterna amplificat no es retalli per tall o saturació. Una polarització correcta assegura que el transistor operate en la regió activa adequada durant tot el cicle del senyal, garantint linealitat i el màxim marge dinàmic de l'amplificador.