Semiconductores: Efecto Early, Extrínsecos y Diodo Zener

Efecto Early

El efecto Early se basa en tres consecuencias importantes:

1. Disminuye la recombinación en la base y, por lo tanto, crece al incrementar V_CB.
2. El gradiente de concentración de minoritarios crece junto a la base. Como I_e es proporcional al gradiente de P_n en J_e, I_e crece al aumentar V_CB, como se ve en las curvas.
3. Si V_CB es muy alta, puede anularse la anchura de la base W_b, provocando la ruptura del transistor (perforación de la base).

Conclusión: Se observa cómo un aumento de V_CB incrementa la polarización inversa J_c y, en consecuencia, aumenta la anchura de la zona de transición, con lo que disminuye la anchura efectiva de la base W_b. De esto constan las tres consecuencias del efecto Early.

Semiconductores Extrínsecos

Son semiconductores impuros que presentan incrustaciones en su red cristalina. Los cuerpos introducidos como impurezas dan un exceso de electrones libres, utilizables como elementos portadores de carga, que se denominan donadores.

A temperatura ambiente, puede decirse que prácticamente todos los átomos de impureza están ionizados. En consecuencia, cuando se introduce en un semiconductor, como impureza, un donador, habrá más electrones en la banda de conducción que huecos en la banda de valencia, y la corriente resultante será casi totalmente debida a los electrones. En tales condiciones, se dice que el semiconductor es de tipo n, que los electrones son mayoritarios y los huecos minoritarios.

Si se trata de impurezas de tipo aceptador, existirán más huecos en la banda de valencia que electrones en la banda de conducción; el semiconductor es de tipo p, los huecos son mayoritarios y los electrones minoritarios, y la corriente será debida principalmente a los huecos.

Los semiconductores que se emplean en la práctica suelen contener impurezas de tipo donador y de tipo aceptador. Las concentraciones de e^- y de h⁺ vienen reguladas, en cada zona, por la ley de acción de masas, según la expresión:

n_n ⋅ p_n = n_p ⋅ p_p = n_i²

Las densidades de carga de un semiconductor extrínseco vienen dadas por:

N_D + p = N_a + n

Si se considera un material exclusivamente de tipo n: N_a = 0 y n >> p, entonces n_n ≈ N_D y p_n ≈ n_i² / N_D

De manera análoga, resultaría para un semiconductor de tipo p: p_p ≈ N_a y n_p ≈ n_i² / N_a

En los semiconductores extrínsecos pueden existir dos tipos de corrientes:

• Corriente eléctrica: se produce al someter las partículas dentro de un cristal a un campo eléctrico. Este desplazamiento puede ser en el mismo sentido del campo (huecos) o en sentido contrario (e^-). Esta corriente eléctrica también se llama conducción.
• Corriente de difusión: se produce como consecuencia de un desplazamiento de portadores por difusión entre una zona de alta densidad de carga y otra baja.

Diodo Zener

Es un diodo fabricado para trabajar en la zona de ruptura, es decir, en polarización inversa.

Fenómenos de ruptura de la unión

En un inverso, la unión va a estar limitada por la tensión de ruptura. Se define la misma como aquella tensión en inverso para la cual aparece un gran aumento de corriente por la unión. Las tres causas principales de ruptura son:

• Inestabilidad térmica: Se destruye debido a un proceso acumulativo de calor disipado.
• Multiplicación por avalancha: Tensiones altas en inverso que producen un campo muy intenso en el cual se libera una gran cantidad de portadores.
• Efecto túnel o Zener: Cuando están muy dopados, los electrones son atravesados, generando “huecos y electrones”.

U_z < 5 → efecto Zener
V_z > 6 → multiplicación por impacto

Los diodos Zener son diodos que aprovechan el efecto de ruptura de la unión. Para ello, se sigue un proceso de fabricación controlado de manera que, al llegar a la tensión de ruptura, la corriente circula de manera homogénea y, entre unos determinados límites, no destruye la unión. Para ello, no se habla de tensión de ruptura, sino que se referencia como tensión Zener. Dicha tensión tendrá un coeficiente de temperatura positivo o negativo según sea su valor, y dicho valor es controlable en función del grado de dopado.

Son también importantes dos valores de intensidad: I_{z min} e I_{z max}

I_{z min} ≤ I_z ≤ I_{z max}

I_{z min} = V_E ≥ [I_{z min} + (V_Z / R_L)] * R * V_Z
I_{z max} = V_E ≥ [I_{z max} (V_Z / R_L)] * R * V_Z