Libro Dispositivos Semiconductores - Principios Y Modelos

Descripción

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Dispositivos semiconductores - principios y modelos
Autor: JULIÁN, Pedro
Páginas: 284
ISBN: 978-987-1609-40-6
Editorial: Alfaomega

Ver video: https://youtu.be/ilvWbYvoquI
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Este libro brinda una introducción a la electrónica en semiconductores ¿también llamada de estado sólido para carreras de Ingeniería en electrónica, electricidad, computadoras, comunicaciones, control y sistemas. Provee una explicación de los mecanismos de conducción eléctrica en Silicio, que luego se utiliza para el desarrollo de cuatro dispositivos fundamentales de la electrónica actual: el diodo de juntura, el capacitor Metal-Óxido-Semiconductor (MOS), el transistor MOS y el transistor bipolar de juntura.

Esta obra conduce al estudiante a entender el funcionamiento de cada uno de los dispositivos, partiendo de sus principios fundamentales y que, a partir de allí, comprenda, en profundidad, los diferentes modelos eléctricos que puede utilizar para representarlo, sus alcances y limitaciones.

El objetivo principal es que el estudiante conozca y sepa emplear los distintos modelos de los dispositivos electrónicos, de acuerdo al rango de amplitud y frecuencia, para su futura utilización en el diseño y análisis de circuitos

Ventaja Competitiva

Contempla todos los temas impartidos en la materia y algunos otros de gran actualidad. Además, dispone de material complementario en la Web del autor.
Conozca:

Todo lo necesario para dominar la materia.
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Índice general
Mensaje del editor IX
Sobre el autor XI
Prefacio XVII
1. Modelos de circuitos eléctricos 1
1.1. Bloques constitutivos de modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1. Resistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2. Capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3. Inductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.4. Memristores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.5. Fuentes independientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.6. Fuentes controladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.7. Convenciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2. Clasificación de modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1. Modelos según la amplitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2. Modelos según la frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3. Construcción de modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2. Introducción a los semiconductores 19
2.1. Bandas de Energía en Silicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2. Equilibrio Térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3. Dopado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1. Dopado Tipo N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.2. Dopado Tipo P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.3. Compensación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
XIV Índice general
2.4. Mecanismos de conducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.1. Arrastre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.2. Densidad de corriente de arrastre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4.3. Difusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.3.1. Densidad de corriente de difusión . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.4. Resistividad de una lámina de Silicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.5. Potenciales relativos en Silicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3. Juntura Semiconductora y Diodos 57
3.1. Descripción Cualitativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2. Electroestática de la Juntura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3. Modelo de DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.1. Ley de la Juntura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3.2. Solución en directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.3. Solución en inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.4. Desviaciones del comportamiento ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.4.1. Efectos de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4. Modelo Lineal Incremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.5. Modelo de AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5.1. Capacidad en inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5.2. Capacidad en directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.6. Mecanismos de ruptura inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.6.1. Efecto Túnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.6.2. Efecto Avalancha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4. Capacitor MOS 91
4.1. Descripción Cualitativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2. Electroestática del capacitor MOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.1. Potencial de Banda Plana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.2. Acumulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.3. Vaciamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.4. Inversión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3. Modelo de AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.4. Otras configuraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.4.1. Capacitor MOS sobre un sustrato P y gate P . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.4.2. Capacitor MOS sobre un sustrato N y gate N . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.4.3. Capacitor MOS sobre un sustrato N y gate P . . . . . . . . . . . . . . . 112
5. Transistor MOS 115
5.1. Descripción cualitativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2. El transistor NMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.1. Principio básico de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.2. Derivación simplificada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.3. Derivación avanzada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.2.3.1. Modelo referido al Sustrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
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5.2.4. Modelo referido al source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.2.5. Desviaciones del comportamiento ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.2.5.1. Modulación de la longitud del canal . . . . . . . . . . . . . . 139
5.2.5.2. Efectos de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2.5.3. Corriente subumbral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.3. El transistor PMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.3.1. Principio básico de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.3.2. Derivación simplificada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.3.3. Derivación avanzada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.3.1. Modelo referido al Sustrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.3.2. Modelo referido al source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.3.4. Desviaciones del comportamiento ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.4. Modelo lineal incremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.4.1. MLI referido al sustrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.4.1.1. Zona de triodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.4.1.2. Zona de saturación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.4.2. MLI referido al source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.4.2.1. Zona de triodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.4.2.2. Zona de saturación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.5. Modelo de AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.5.1. Capacidad de gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.5.1.1. Corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.5.1.2. Triodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.5.1.3. Saturación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.5.2. Capacidad de junturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.5.3. Capacidad de solapamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.5.4. Límite de validez del modelo de AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6. Transistores Bipolares 175
6.1. Descripción cualitativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.2. Modelo de DC del transistor PNP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.2.1. Región de conducción activa directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.2.2. Región de conducción activa inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.2.3. Región de saturación y el Modelo de Ebers-Moll . . . . . . . . . . . . . 190
6.2.4. Modelos Simplificados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.2.5. Desviaciones del comportamiento ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.2.5.1. Corriente de pérdida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.2.5.2. Ganancia de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.3. Modelo de DC del transistor NPN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.3.1. Región de conducción activa directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.3.2. Región de conducción activa inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.3.3. Región de saturación y el Modelo de Ebers-Moll . . . . . . . . . . . . . 217
6.3.4. Modelos Simplificados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
6.4. Modelo Lineal Incremental (MLI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.4.1. El modelo híbrido-p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
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XVI Índice general
6.5. Modelo de AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.5.1. Capacidad de vaciamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.5.2. Capacidad de carga de la base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.5.3. Límite de validez del modelo de AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
A. Conducción: conceptos auxiliares 235
A.1. Tiempo de tránsito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
A.2. Efecto Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
B. Electroestática 239
C. Potenciales de contacto 243
D. Modelos de SPICE 247
D.1. Fuentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
D.1.1. Fuentes independientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
D.1.2. Fuentes dependientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
D.2. Dispositivos pasivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
D.2.1. Resistencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
D.2.2. Capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
D.2.3. Inductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
D.2.4. Inductores mutuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
D.3. Dispositivos semiconductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
D.3.1. Diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
D.3.2. Transistores bipolares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
D.3.3. Transistores MOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
D.3.3.1. Modelo de nivel 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
D.3.3.2. Modelos de niveles 2 y 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
D.3.3.3. Modelo de nivel 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254