Download Práctica I - El Semiconductor kT EE eNp N pSi kT EE eNn N nSi

Física de los Dispositivos
Práctica I -
Práctica I
El Semiconductor
1. Estructura atómica y propiedades del Silicio (Si) y del Arseniuro de Galio (GaAs),
(aplicación 1).
2. Diagrama de bandas en función de la composición material, x, para el Alx Ga1-x As y
el Six Ge1-x (aplicación 2-c). Determine Eg para composiciones de AlGaAs donde x
toma los valores 0.1, 0.4, 0.5 y 0.9.
3. Estudiar el efecto de la temperatura (300K, 500K y 900K) en la función de
distribución de Fermi, así como la población de los estados energéticos (aplicación 3a).
4. Estudiar la posición del nivel de Fermi con la concentración de impurezas
donadoras/aceptoras para el Si, GaAs y Ge (aplicación 3-b; visualizar las impurezas
donadoras y aceptoras).
n ≠ p ; n· p = n 2
i
5. Estudio de la concentración de portadores con la función de distribución de Fermi y
densidad de estados; influencia de la temperatura (aplicación 3-c). (10K, 300K y
700K)
La concentración de portadores viene dada por:
n = N C ·F1 / 2 ( EF − EC / kT )
p = NV · F1/ 2 ( EV − EF / kT )
donde F1/2 es la integral de Fermi, y NC y NV las densidades equivalentes de estados en
la banda de conducción y valencia respectivamente.
N C = 2·(m*C ·kT / 2πh 2 )
3/2
NV = 2·(mV* ·kT / 2πh 2 )
3/ 2
6. Concentración de portadores calculados con la estadística de Fermi y la de MaxwellBoltzmann para el Si, GaAs y Ge a diferentes temperaturas.
Indicar cuando se aprecia diferencia entre las dos estadísticas (aplicación 3-d,
visualizar los parámetros de los semiconductores así como la concentración relativa).
Si n << NC ⇒ n ≈ NC ·e
−( EC −EF ) / kT
Si p << NV ⇒ p ≈ NV ·e
1
−( EF −EV ) / kT
FÍSICA DE LOS DISPOSITIVOS
PRÁCTICA II – EL SEMICONDUCTOR CON MEDICI
1. Para un semiconductor de Silicio (Si) de sección 0.2 x 0.2 µm2 , dopado tipo N con
una concentración de impurezas 1016 cm-3 , a temperatura ambiente se pide:
a) Nivel de Fermi respecto al nivel intrínseco.
b) Anchura de la banda prohibida.
c) Concentración intrínseca (ni2 =n·p).
2. Influencia del dopaje: repetir los apartados a), b) y c) con dopajes tipo N de
concentración 1014 y 1018 cm-3 .
3. Influencia de la temperatura: con el dopaje inicial de 1016 cm-3 , repetir los apartados
a), b) y c) a las temperaturas 150 y 450 K.
4. ¿Cómo cambian los resultados en 1, 2 y 3 si el dopaje es tipo P?.
5. Repetir el estudio realizado con el Silicio para el Arseniuro de Galio (GaAs).
6. Al semiconductor de Si de la cuestión 1 aplicar una caída de tensión de 1 V.
Calcular y comprobar el campo eléctrico existente en el semiconductor.
NOTAS:
•
•
Indicar y justificar en cada apartado el resultado obtenido.
Para visualizar un fichero emplear:
textedit “nombre del fichero”
•
Utilizar el fichero “semiconductor.inp ” para la simulación en MEDICI con el
comando:
medici semiconductor.inp
Física de los Dispositivos
Práctica III -
Práctica III
Recombinación, Arrastre y Difusión
1. Estudiar todos los mecanismos de recombinación indirecta en un semiconductor
(aplicación 2-b).
Contestar las preguntas del Worksheet
2. Generación de portadores en un semiconductor por un pulso láser (aplicación 2-a,
fijar la longitud del semiconductor en 2 cm). Estudiar el arrastre y difusión de los
portadores minoritarios, prestando atención a la representaciones width vs. t,
displcmnt. vs. t, y N vs. t
a. Difusión
i. Seleccione lifetime infinito, bias a 0 V y material tipo P.
ii. Repita con el material tipo N.
iii. Repita los apartados anteriores seleccionando mobility a 3900
cm2/VS.
b. Arrastre
i. Seleccione para el material tipo P: lifetime a infinity, bias a +2V,
y repita con bias a –1V.
ii. Seleccione para el material tipo N: lifetime a infinity, bias a +1V,
y repita con bias a –2V.
Contestar las preguntas del Quiz
Física de los Dispositivos
Práctica IV -
Práctica IV
El Diodo en Equilibrio
1. Estudiar las aplicaciones del diodo en equilibrio.
2. Suponiendo para el Silicio un dopaje simétrico (N D= NA=1015 cm-3 ) dibujar
cualitativamente el diagrama de bandas de la unión PN (suponer la temperatura
de 300 K). Comprobar que se cumplen en las aplicaciones las siguientes
expresiones.
Anchura de la región de deplexión: W = xn + x p =
Altura de la barrera:
Vbi ≈
Neutralidad eléctrica: x n =
2ε N A + N D
·
·Vbi
q N A ·N D
kT  N A ·N D 

·ln 
q  n i2 
NA
xp
ND
Densidad superficial de carga: Q + = Q − = qN D xn = qN A x p
Campo máximo, en la unión metalúrgica:
Em =
q· N A ·x p q·N D · xn
=
ε
ε
3. Repetir el apartado 2 para una unión asimétrica (N D=1017 cm-3 y NA=1015 cm-3 ).
1
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Práctica V -
1.
Práctica V
El Diodo en situación de no equilibrio
Aplicación 1: estudiar una unión PN abrupta simétrica polarizada en directa
(N D= NA= 1017 cm-3 ; V= 0.4 V).
¿En las regiones neutras se produce inyección o extracción de minoritarios?.
¿Qué fenómeno de transporte predomina en el diodo?.
¿Qué ocurre en las regiones neutras con los portadores minoritarios?. ¿Y con los
mayoritarios?.
¿Tras cuántas longitudes de difusión la concentración de minoritarios en las regiones
neutras alcanza el valor de equilibrio térmico?.
¿Por qué la corriente de electrones y huecos en la región de vaciamiento es idealmente
constante?.
2.
Aplicación 1: para una unión simétrica (N D=NA=1016 cm-3 ) y otra asimétrica
(N A=1017 cm-3 y ND=1015 cm-3 ) observar las corrientes de arrastre y difusión para
los electrones y los huecos, así como los procesos de recombinación, variando la
tensión de polarización de valores negativos a positivos.
¿Hacia dónde apunta el campo eléctrico en la región de vaciamiento?.
¿Cuándo la tensión de polarización es nula, son iguales la corriente de arrastre y
difusión de los electrones?. ¿Y en el caso de los huecos?.
¿Con polarización inversa qué le ocurre a la corriente de arrastre (fuga), por qué?. ¿Qué
le ocurre a la corriente de difusión, por qué?.
Física de los Dispositivos
Práctica V
¿Con polarización directa qué le ocurre a la corriente de arrastre (fuga), por qué?. ¿Qué
le ocurre a la corriente de difusión, por qué?.
Cuando la tensión aplicada a una unión PN simétrica (N D=NA=1016 cm-3 ) es de 0.2 V en
directa, calcular el exceso de portadores minoritarios a ambos lados de la región de
 q·V

 q·V

vaciamiento.
∆n = n po · e k ·T − 1
; ∆p = pno · e k ·T − 1




3.
Aplicación 2: estudiar la región de carga espacial y el campo eléctrico en una
región abrupta simétrica (N D= NA=1016 cm-3 ) y asimétrica (N A= 1017 cm-3 y
ND=1015 cm-3 ). Variar la tensión aplicada al diodo desde valores negativos a
positivos.
¿Qué le ocurre a la región de vaciamiento?.
¿Cómo se comporta el campo eléctrico?.
¿Dónde es máximo el campo para cualquier tensión de polarización?.
¿Cómo se comporta la carga en la región de vaciamiento, se conserva?.
4.
Aplicación 3: Para una unión simétrica (N D=NA=1016 cm-3 ) variar la tensión de
polarización de valores negativos a positivos.
Explicar cualitativamente la capacidad asociada al diodo.
Explicar cualitativamente la curva corriente-tensión.
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PRÁCTICA VI – EL DIODO CON MEDICI
1. Comparar mediante el simulador MEDICI los resultados teóricos obtenidos en los
apartados 2 y 3 de la práctica 4, para uniones simétricas y abruptas respectivamente,
con el fichero de entrada diodo.inp:
a)
b)
c)
d)
e)
Representando la región de vaciamiento.
Representando el diagrama de bandas.
¿Cómo se calcularía la carga espacial en la unión?.
Representando el campo eléctrico en la unión.
Representar además en ambos casos la concentración de electrones y huecos, y
el potencial eléctrico.
f) Comprobar la condición de equilibrio térmico en el diodo. Para ello, a partir de
los ficheros de salida de las concentraciones de electrones (electrones) y huecos
(huecos), comprobar que se cumple n·p=ni2 =cte. en las regiones neutras y de
vaciamiento.
2. Repetir el estudio realizado en los apartados 1 y 2 de la práctica 5 mediante el
simulador MEDICI (fichero diodo.inp), indicando las discrepancias con las
aplicaciones (modelo ideal).
•
•
Para el apartado 1, emplear tensiones de polarización de –1, 0 y 0.6 V.
Para el apartado 2, emplear dopajes mayores (N D=NA=1018 cm-3 ). En este caso
MEDICI no permite separar la componente de arrastre de la de difusión, pero sí
distinguir entre corriente de electrones y huecos (visualizar también la corriente
total).
NOTA:
Para el Silicio, a 300 K, ε r=11.7; ni=1.02·1010 (cm-3 ).
εo = 8.85418·10-12 (F/m); kT/q= 0.0258 (V); q=1.60218·10-19 (C)
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Práctica VII
El Transistor Bipolar
1. Estudio de los portadores minoritarios con el tamaño de la base. (Narrow-base vs.
Wide-base BJT – aplicación 6-1).
2. Dependencia de la corriente de inyección en el nivel de dopado. Realice una tabla
que presente los valores de Jb, Je, Jc y las componentes de sus corrientes Jep, Jen y
Jcp (o Jcn) para distintos dopajes (Ne, Nb)
a. Dependencia de la corriente de colector con el ratio longitud de difusión
anchura de la base. (Seleccione PNP, Ne=1E19, Nb=1E17, Nc=1E15,
lifetime=0.05us, Dp=10 cm2/Vs). Varíe la anchura de la base y observe
como afecta esto a la pendiente de la densidad de portadores de
minoritarios, ¿por qué la concentración de minoritarios en la unión con el
colector es siempre próxima a cero? Para Wb>>Lp compare Jep y Jcp,
¿qué resulta ahora si Wb<<Lp? Realice tablas y gráficas que justifiquen
sus respuestas.
3. Estudiar las corrientes de base (Charge Flow into/out-of the Base region, aplicación
6-2).
a. Encuentre los parámetros (α y β) usando los valores de las corrientes que
aparecen en el applet.
b. Corriente colector
i. Calcule Is para Vbe = 0.74 V; Ic = Is exp(V be/VT )
ii. Con la Is calculada en el apartado anterior calcule Ic con Vbe igual
a 0.75 V.
c. Corriente de Base
i. Concentración de minoritarios np y corriente Ib e Iep para una
tensión base emisor Vbe = 0.66V. Calcule la contribución de la
recombinación ala corriente de la base como I rec = I b − I ep
ii. Repita el apartado anterior con Vbe = 0.75 V y calcule los ratios
de los valores Irec2/Irec1 y np2 /np1 . Explique el resultado obtenido.
Q
1
NOTA: Considere I rec = n donde Q n = Ae ⋅ W b ⋅ n p , Ae es el área de
τb
2
unión en el emisor, W b la anchura de la base y τb es el tiempo de vida medio
de los portadores en la base.
4. Modelo equivalente de Ebers-Moll (aplicación 6-5).
Realizar el Applet Tutorial y responder al Quiz.
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Práctica VIII -
Práctica VIII
El Transistor MOS de Efecto Campo, MOSFET
1. Comportamiento del canal (Channel ON-OFF behaviors, aplicación 8-1).
a. Comprobar el efecto de la tensión umbral en el transistor, haciendo un
barrido de la tensión de puerta para distintas tensiones umbrales. Estudiar
tanto el caso del canal tipo N como el tipo P.
2. (Aplicación 8-3) Estudiar la dependencia del canal con las tensiones puerta- fuente
(Vgs ) y drenador-fuente (Vds ). Fijar la tensión umbral para un canal tipo N en 1.0 V, y
para un canal tipo P en –1.0 V. Observar en ambos casos las curvas características de
drenador (Ids/ Vds) y puerta (Ids/ Vgs); explicar su funcionamiento.
a. Para el canal N y canal P.
i. Selecione (N-channel/P-channel), Vt =1.5 V ==> Use las flechas
Up/Down para cambiar el valor de Vgs y Vds. Seleccione Vds = 0V
y varíe Vgs y encuentre para qué Vgs se forma el canal. Represente
Vgs frente a Vt y determine la relación que existe entre ellos.
ii. Ahora fije Vgs = 3.5 V, y varíe Vds para encontrar el valor en el
que se estrangula el canal. Comprobar que se cumple que Vds =
Vgs-Vt
3. En la región de operación |V ds| < |Vgs| - |Vt |, si |Vgs| sigue aumentando, ¿qué se
observa en el canal MOSFET?
4. En la región de saturación se parte con Vds = Vds(sat) y |Vgs| > |Vt |. Si se aumenta
|Vds|, ¿qué se observa en el canal MOSFET?, ¿qué dirección toma la corriente cuando
se produce la inversión del canal?. La corriente eléctrica es proporcional al campo
intensidad eléctrica en esta región.