miércoles, 24 de marzo de 2010

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domingo, 21 de marzo de 2010

Metal-Semiconductor Field Effect Transistor (MESFETs)

The Metal-Semiconductor-Field-Effect-Transistor (MESFET) consists of a conducting channel positioned between a source and drain contact region as shown in the Figure 3.6.1. The carrier flow from source to drain is controlled by a Schottky metal gate. The control of the channel is obtained by varying the depletion layer width underneath the metal contact which modulates the thickness of the conducting channel and thereby the current between source and drain.

Figure 3.6.1 : Structure of a MESFET with gate length, L, and channel thickness, d.

The key advantage of the MESFET is the higher mobility of the carriers in the channel as compared to the MOSFET. Since the carriers located in the inversion layer of a MOSFET have a wavefunction, which extends into the oxide, their mobility - also referred to as surface mobility - is less than half of the mobility of bulk material. As the depletion region separates the carriers from the surface their mobility is close to that of bulk material. The higher mobility leads to a higher current, transconductance and transit frequency of the device.

The disadvantage of the MESFET structure is the presence of the Schottky metal gate. It limits the forward bias voltage on the gate to the turn-on voltage of the Schottky diode. This turn-on voltage is typically 0.7 V for GaAs Schottky diodes. The threshold voltage therefore must be lower than this turn-on voltage. As a result it is more difficult to fabricate circuits containing a large number of enhancement-mode MESFET.

The higher transit frequency of the MESFET makes it particularly of interest for microwave circuits. While the advantage of the MESFET provides a superior microwave amplifier or circuit, the limitation by the diode turn-on is easily tolerated. Typically depletion-mode devices are used since they provide a larger current and larger transconductance and the circuits contain only a few transistors, so that threshold control is not a limiting factor. The buried channel also yields a better noise performance as trapping and release of carriers into and from surface states and defects is eliminated.

The use of GaAs rather than silicon MESFETs provides two more significant advantages: first, the electron mobility at room temperature is more than 5 times larger, while the peak electron velocity is about twice that of silicon. Second, it is possible to fabricate semi-insulating (SI) GaAs substrates, which eliminates the problem of absorbing microwave power in the substrate due to free carrier absorption.

The threshold voltage, VT, of a MESFET is the voltage required to fully deplete the doped channel layer. This threshold voltage equals:
where fi is the built-in potential and d is the thickness of the doped region. This threshold voltage can also be written as a function of the pinch-off voltage VP:
Where the pinch-off voltage equals:
The derivation of the current in a MESFET starts by considering a small section of the device between y and y + dy. The current density at that point can be written as a function of the gradient of the channel voltage:
The drain current is related to the current density and the part of the MESFET channel that is not depleted.
Where the depletion layer width at position y is related to the channel voltage, VC(y), by:
The equation for the current can now be integrated from source to drain, yielding:
Since the steady-state current in the device is independent of position, the left hand term equals ID times L so that:
This result is valid as long as the width of the un-depleted channel (d – xn(y)) is positive, namely for

This condition also defines the quadratic region of a MESFET. For larger drain voltage, the current saturates and equals that at
The transfer characteristic of a MESFET is shown in Figure 3.6.3 and compared to a quadratic expression of the form:
where is the average depletion layer width in the channel layer. The quadratic expression yields the same current at VG = fi for = 3d/8. The close fit is at times used to justify using the simpler quadratic equation.
Nombre Lenny Ramirez
Asignatura EES

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Power Transistor

Power transistors are finding increasing popularity in low to medium power applications.A power transistor has low current gain and requires continuous base drive during on-state conditions but doesn't require forced commutations.Circuitry power transistors can be used in high switching frequency,permitting size reduction of electromagnetic components and can provide current limit protection by base drive circuit.Power transistor cannot withstand reverse voltage and application is limited to dc voltage for inverters and choppers. 

A transistor is a three layer pnp or npn semiconductor device having two junctions.This type of transistors is know as bipolar junction transistor(BJT).The structure and symbol of npn transistor is shown below.

The three terminals of the device are called the collector (c), the base (B) and the emitter (E). The collector ans Emitter terminals are connected to the main power circuit, the base terminal is connected to control signal.
Transistors can be operated in the switching mode. If base current IB is zero transistor is in an off state and behaves as a switch.On the other hand,if the base is driven hard,ie if the base current IB is sufficient to drive the transistor into saturation,then the transistor behaves as a closed switch.
The transistor is a current driven device.The base current determines whether it is in on state or off state.To keep the device in on state,there should be a sufficient base current.
Transistor with high voltage and current ratings are known as power transistors.The current gain of power transistors(IC/IB)can be as low as 10.For eg. base current of 10A is required for 100A of collector current.
Power transistors switch on and off much faster than thyristors.They may switch on in less than 1μs and turnoff in less than 2μs.Therefore power transistors can be used in applications where frequency is as high as 100kHz.These devices are very delicate.They fail under certain high voltage and high current conditions.They should be operated within its specified limits,known as safe operating area(50A).
The output characteristics of CE configuration is as shown below
The characteristics depict the relation between collector current(IC) and collector to emitter voltage(VCE) for different values of base current.These characteristics is of npn transistor.These characteristics have three regions ie active region,saturation and cut off region.
The input characteristics depicts the relationship between base current IB and emitter to base voltage for different values of collector to emitter voltage VCE.
The input characteristics is shown in the figure below

The V-I characteristics(output characteristics of power npn transistor is shown in figure below
As in the case of lower power BJT,this characteristics depict the relationship between collector current(IC) and collector to emitter voltage(VCE) for different values of base current IB.
It is seen that these characteristics have some special features very different from those for lower power BJT.These features are as follows.
1. For substantial values of collector current,there is maximum value of collector emitter voltage which the device can sustain,it is denoted as BVsus in above figure.If IB= 0 the maximum voltage which can be sustained by the device increases to BVCEO .(The voltage (VCE)when the base is open circuited).The voltage BVCBO is the breakdown voltage when the emitter is open circuited.
2. The primary breakdown is due to the avalanche breakdown of C-B junction.In this region the current and the power dissipation can be very high.Therefore this region should be avoided.
3. In the region marked second breakdown,The C-E voltage decreases substantially and the collector current is high.This region is due to thermal runaway.A cumulative process occurs in this region and the device gets destroyed.In this breakdown,power dissipation is not uniformly spread over the entire volume of the transistor but is rather restricted to highly localized areas.Therefore the chances of the device getting destroyed are high.
4. A quasi saturation(between saturation and active region)region exists.This region is due to the lightly doped drift collector region.

fuente: http://electricalandelectronics.org/2008/09/28/power-transistor/
Nombre: Lenny Ramirez
Asignatura EES

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Crean el primer transistor orgánico que imita el funcionamiento de las neuronas

Se basa en una propiedad neuronal llamada plasticidad, que modula la percepción de los estímulos con el medio. Un equipo de investigación francés ha creado un transistor orgánico que podría abrir paso a una nueva generación de ordenadores capaces de responder de una manera similar a la del cerebro. La gran innovación de este nuevo transistor, al que han bautizado como NOMFET (Nanoparticle Organic Memory Field-Effect Transistor), consiste en la combinación de un transistor orgánico, basado en moléculas de pentaceno, con nanopartículas de oro. 

científicos del CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) y de la CEA (Commissariat à l'Énergie Atomique) han desarrollado el primer transistor capaz de imitar la forma en la que los sistemas biológicos, como las redes neuronales, operan para crear nuevos circuitos electrónicos, según se explica en un comunicado del CNRS que recoge asimismowww.alphagalileo.org. El estudio ha sido publicado en la revistaAdvanced Functional Materials. 
Un transistor es el elemento básico de un circuito electrónico. Se comporta como un interruptor (que transmite o no una señal), pero además puede ofrecer otras funcionalidades, como la amplificación de la misma. La gran innovación de este nuevo transistor, al que han bautizado como NOMFET (Nanoparticle Organic Memory Field-Effect Transistor), consiste en la combinación de un transistor orgánico, basado en moléculas de pentaceno, con nanopartículas de oro. 

"Efecto memoria" 

Las nanopartículas de oro, recubiertas con pentaceno, poseen una propiedad especial que les permite simular la función de una sinapsis, es decir, del proceso de comunicación entre dos neuronas, durante la transmisión de sus impulsos eléctricos. Esta particularidad, denominada plasticidad, consiste en una especie de "efecto memoria". Es la responsable de que la neurona sea capaz de "aprender" a asociar el estímulo (la señal que recibe) con sus "consecuencias" (lo que debe que hacer cuando lo recibe). Así, la neurona va optimizándose poco a poco, de modo que necesita "trabajar" menos para generar la misma respuesta ante un estímulo que ya conoce. 
La plasticidad consigue que el componente electrónico pueda evolucionar en función del sistema en el que se coloca. Hasta ahora, para imitar esta plasticidad, eran necesarios siete transistores CMOS (un tipo de tecnología usada para fabricar la mayoría de los circuitos integrados, como microprocesadores o memorias). 
Este nuevo transistor orgánico abre camino a nuevas generaciones de ordenadores "neuro-inspirados", capaces de responder de una manera similar a la del sistema nervioso. A diferencia de las computadoras de silicio, ampliamente utilizadas en informática de alto rendimiento, los ordenadores "neuro-inspirados", podrán resolver problemas mucho más complejos, como el reconocimiento visual. 
Dominique Vuillaume, investigador del Instituto de Electrónica, Microelectrónica y Nanotecnología del CNRS y uno de los autores del estudio, afirma que el objetivo de NOMFET es conducir a una "respuesta colectiva como la que puede proporcionar una red neuronal integrada por múltiples informaciones", lo que daría lugar a "sistemas tan flexibles que puedan ser programados por aprendizaje".

La primera imagen de los átomos de una molécula 

En agosto de 2009, científicos del laboratorio de IBM en Zúrich lograron visualizar por primera vez la imagen completa de los átomos de una molécula. Era el pentaceno, un tipo de compuesto orgánico con el que, meses más tarde, los investigadores del CNRS y de la CEA han conseguido crear el nuevo transistor NOMFET. 

El pentaceno fue "fotografiado" gracias a un Microscopio de Fuerzas Atómicas (AFM), que permite ver y manipular la materia a dicha escala. La captación de su imagen supuso un avance significativo en el desarrollo de la electrónica molecular. Sin duda, un paso más para aumentar las prestaciones de dispositivos electrónicos como ordenadores o teléfonos móviles.

Fuente: http://www.tendencias21.net/Crean-el-primer-transistor-organico-que-imita-el-funcionamiento-de-las-neuronas_a4036.html
Nombre: Lenny Ramirez
Asignatura EES

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Semiconductores: los 'blue chips' de la industria

Nada se mueve en este mundo globalizado sin ayuda de los transistores,diodos, osciladores,conmutadores y,sobre todo,de los microprocesadores… Sin la continua innovación de la industria de los semiconductores no existirían ordenadores, teléfonos móviles,reproductores de MP3, lavadoras,relojes,semáforos..

El mercado de los semiconductores tiene un gran peso en la economía mundial y, desde el punto de vista del usuario final, está cambiando sus hábitos de consumo y ocio a tal velocidad que constituye ya una seña de identidad entre las distintas generaciones, aunque les separen muy pocos años.

Para George Scalise,presidente de SIA (Semiconductor Industry Association), aunque el mercado de las tecnologías de la información es el que más los utiliza,"el mayor desarrollo se producirá en productos destinados al consumidor, fascinado por nuevas tecnologías como los teléfonos móviles multifunción o los reproductores MP3". Se calcula que en 2008 la industria de los chips facturará 309.000 millones de euros, un 45% más que en 2004. En el segundo trimestre de 2006, el conjunto de los semiconductores creció un 9,4%, respecto al mismo periodo en 2005, facturando 58.900 millones de dólares (40.000 millones de euros), según  datos de la consultora IDG.
La innovación en semiconductores es permanente y, entre las nuevas tecnologías en desarrollo, se abre paso el empleo del diamante para electrónica de alta potencia. Funciona como un conversor que opera
en tensiones de más de 10.000 V y con temperaturas más altas que otros semiconductores. Esta tecnología
la desarrollan las sociedades Element Six, Dynex Semiconductor y la Universidad de Cambridge (Reino Unido). Con todo, la principal I+D se hace
en microprocesadores, cuyos exponentes más avanzados son los chips de doble núcleo y, desde comienzos de 2007, también los de cuatro. Los procesadores multinúcleo, de mayor rendimiento y potencia, permiten acometer varias tareas simultáneas. Aunque Intel se ha adelantadoen los chips de cuatro núcleos AMD no quiere distanciarse, y tendrá también este producto, el K8L, a mediados de 2007. Otro avance de Intel es el chip móvil Wimax Rosedale II, dentro de su plataforma Centrino: esta sofisticada tecnología inalámbrica posibilita conectar un equipo hasta distancias de 30 km. En otra investigación, la firma tecnológica alarga la vigencia del silicio, con un haz láser que transmite información entre chips a la velocidad de la luz. Así se fabricarán más rápidos y baratos.


Para los analistas, el futuro de los semiconductores pasa por la nanotecnología y aquí se investiga en nanotubos de carbono que interconectan transistores. Los tubos microscópicos transmiten electricidad mucho
mejor que los de cobre, pero aún son difíciles de producir en masa y no todos funcionan bien. Por su parte, IBM, Sony y Toshiba han ampliado su alianza hasta 2011 para investigar la tecnología de 32 nanómetros. Ya colaboraron en el chip Cell y su tecnología SOI (Silicon On Insulation) es de 90 y 65 nanómetros.Las previsiones de SIA son acabar 2006 con un incremento del 10% en semiconductores para PC, seguidos de teléfonos móviles (13%) y cámaras digitales (9%),pero muy lejos del 52% de televisores digitales y reproductores MP3.La mayor demanda en chips se da en teléfonos móviles, que aumentaron sus ventas un 4 y un 10% durante los dos últimos trimestres de 2006, respectivamente. El año terminó con 1.000 millones de móviles vendidos en todo el mundo.

Fuente: http://www.mecalux.es/external/magazine/41531.pdf
Nombre: Lenny Ramirez
Asignatura: EES

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El transistor de potencia

El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.

Existen tres tipos de transistores de potencia:
  • bipolar.
  • unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo).
  • IGBT.
Parámetros MOS Bipolar
Impedancia de entrada Alta (1010 ohmios) Media (104 ohmios)
Ganancia en corriente Alta (107) Media (10-100)
Resistencia ON (saturación) Media / alta Baja
Resistencia OFF (corte) Alta Alta
Voltaje aplicable Alto (1000 V) Alto (1200 V)
Máxima temperatura de operación Alta (200ºC) Media (150ºC)
Frecuencia de trabajo Alta (100-500 Khz) Baja (10-80 Khz)
Coste Alto Medio
El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la capacidad de carga en corriente de los transistores bipolares:
  • Trabaja con tensión.
  • Tiempos de conmutación bajos.
  • Disipación mucho mayor (como los bipolares). 
Nos interesa que el transistor se parezca, lo más posible, a un elemento ideal:
  • Pequeñas fugas.
  • Alta potencia.
  • Bajos tiempos de respuesta (ton , toff), para conseguir una alta frecuencia de funcionamiento.
  • Alta concentración de intensidad por unidad de superficie del semiconductor.
  • Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado ( VCE máxima elevada).
  • Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt ). 
Una limitación importante de todos los dispositivos de potencia y concretamente de los transistores bipolares, es que el paso de bloqueo a conducción y viceversa no se hace instantáneamente, sino que siempre hay un retardo (ton , toff). Las causas fundamentales de estos retardos son las capacidades asociadas a las uniones colector - base y base - emisor y los tiempos de difusión y recombinación de los portadores.
Principios básicos de funcionamiento
La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuación sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre puerta y fuente. Esta diferencia vienen determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas.
Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre más pequeña que la potencia manejada en los otros dos terminales.
En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:
  • En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC.
  • En un FET, la tensión VGS controla la corriente ID.
  • En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra bastante mayor. 
Cuando el transistor está en saturación o en corte las pérdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutación, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada, ya que en esos instantes el producto IC x VCE va a tener un valor apreciable, por lo que la potencia media de pérdidas en el transistor va a ser mayor. Estas pérdidas aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo hace el número de veces que se produce el paso de un estado a otro.Podremos distinguir entre tiempo de excitación o encendido (ton) y tiempo de apagado (toff). A su vez, cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros dos.
Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante en que se aplica la señal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor final.
Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final.
Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor final.
Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final.
Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones :
Es de hacer notar el hecho de que el tiempo de apagado (toff) será siempre mayor que el tiempo de encendido (ton).
Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitan la frecuencia máxima a la cual puede conmutar el transistor:
Corriente media: es el valor medio de la corriente que puede circular por un terminal (ej. ICAV, corriente media por el colector).
Corriente máxima: es la máxima corriente admisible de colector (ICM) o de drenador (IDM). Con este valor se determina la máxima disipación de potencia del dispositivo.
VCBO: tensión entre los terminales colector y base cuando el emisor está en circuito abierto.
VEBO: tensión entre los terminales emisor y base con el colector en circuito abierto.
Tensión máxima: es la máxima tensión aplicable entre dos terminales del dispositivo (colector y emisor con la base abierta en los bipolares, drenador y fuente en los FET).
Estado de saturación: queda determinado por una caída de tensión prácticamente constante. VCEsat entre colector y emisor en el bipolar y resistencia de conducción RDSon en el FET. Este valor, junto con el de corriente máxima, determina la potencia máxima de disipación en saturación.
Relación corriente de salida - control de entrada: hFE para el transistor bipolar (ganancia estática de corriente) y gds para el FET (transconductancia en directa).
Modos de trabajo
Existen cuatro condiciones de polarización posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarización en cada una de las uniones del transistor pueden ser :
Región activa directa: Corresponde a una polarización directa de la unión emisor - base y a una polarización inversa de la unión colector - base. Esta es la región de operación normal del transistor para amplificación. 
Región activa inversa: Corresponde a una polarización inversa de la unión emisor - base y a una polarización directa de la unión colector - base. Esta región es usada raramente. 
Región de corte: Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones. La operación en ésta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (IC 0). 
Región de saturación: Corresponde a una polarización directa de ambas uniones. La operación en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el transistor actúa como un interruptor cerrado (VCE 0). 
Si se sobrepasa la máxima tensión permitida entre colector y base con el emisor abierto (VCBO), o la tensión máxima permitida entre colector y emisor con la base abierta (VCEO), la unión colector - base polarizada en inverso entra en un proceso de ruptura similar al de cualquier diodo, denominado avalancha primaria.
Sin embargo, puede darse un caso de avalancha cuando estemos trabajando con tensiones por debajo de los límites anteriores debido a la aparición de puntos calientes (focalización de la intensidad de base), que se produce cuando tenemos polarizada la unión base - emisor en directo. En efecto, con dicha polarización se crea un campo magnético transversal en la zona de base que reduce el paso de portadores minoritarios a una pequeña zona del dispositivo (anillo circular).La densidad de potencia que se concentra en dicha zona es proporcional al grado de polarización de la base, a la corriente de colector y a la VCE, y alcanzando cierto valor, se produce en los puntos calientes un fenómeno degenerativo con el consiguiente aumento de las pérdidas y de la temperatura. A este fenómeno, con efectos catastróficos en la mayor parte de los casos, se le conoce con el nombre de avalancha secundaria (o también segunda ruptura).
El efecto que produce la avalancha secundaria sobre las curvas de salida del transistor es producir unos codos bruscos que desvían la curva de la situación prevista (ver gráfica anterior).
El transistor puede funcionar por encima de la zona límite de la avalancha secundaria durante cortos intervalos de tiempo sin que se destruya. Para ello el fabricante suministra unas curvas límites en la zona activa con los tiempos límites de trabajo, conocidas como curvas FBSOA.
Podemos ver como existe una curva para corriente continua y una serie de curvas para corriente pulsante, cada una de las cuales es para un ciclo concreto.
Todo lo descrito anteriormente se produce para el ton del dispositivo. Durante el toff, con polarización inversa de la unión base - emisor se produce la focalización de la corriente en el centro de la pastilla de Si, en un área más pequeña que en polarización directa, por lo que la avalancha puede producirse con niveles más bajos de energía. Los límites de IC y VCE durante el toff vienen reflejado en las curvas RBSOA dadas por el fabricante.
Fuente: http://www.uv.es/marinjl/electro/transistores.html
Nombre: Lenny Ramirez
Asignatura EES

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Hoy día, para cualquier tipo de circuito que necesitemos, es muy probable que podamos encontrar algún modelo de circuito integrado que realice la misma función o parte de ella. Así, ya hemos visto que podemos encontrar osciladores, multivibradores y reguladores de tensión, como el 723, que forman parte de la electrónica integrada.

oscilador lineal controlado por tensión construido con un ICL8038
Los diferentes modelos de los circuitos integrados son numerosísimos y, por ello, resulta algo complicado saber exactamente cuál de todos los que existen se acoplará mejor a nuestro diseño. Existen muchos catálogos de diferentes fabricantes, en los cuales suelen estar especificadas las aplicaciones de cada circuito integrado. Pero uno de los factores más importantes, que raramente viene reflejado en estos catálogos, es el tipo y cantidad de dispositivos externos que vamos a necesitar para realizar la función que deseemos con el circuito integrado. A pesar de todo ello, con un poco de experiencia en manejar estos catálogos seremos capaces de conseguir encontrar el circuito integrado que nos va a resultar más útil, bien para realizar la aplicación concreta que necesitemos o bien para facilitarla, realizando parte de las funciones que deseemos.
Como ya sabemos, el número de tipos diferentes de circuitos integrados es inmenso y resulta muy difícil conocerlos todos. Vamos a intentar conocer un poco más a fondo algunos de ellos. Al haber tantos tipos de circuitos integrados las clasificaciones que se pueden hacer de ellos también son numerosas. Una de estas clasificaciones divide a los c.i. en tres tipos: analógicos o lineales, digitales y c.i. de gran consumo (radio, TV, etc.). Los circuitos integrados lineales son aquellos que admiten para la entrada un rango de señales dentro del cual se pueden tomar infinitos valores válidos, al igual que sucede en la salida. Los circuitos integrados digitales, como veremos más adelante, sólo admiten un conjunto finito de valores de entrada, siendo normalmente "dos" los elementos de dicho conjunto. Los circuitos lineales tienen que cumplir bastantes condiciones, a veces es necesario diseñar uno de estos circuitos sabiendo de antemano la función que va a desempeñar; aunque este tipo de fabricación resulta muy cara y, como ya vimos, al hacer muchos circuitos en serie el precio se abarata mucho. Por esta razón, normalmente se fabrican circuitos integrados muy versátiles de forma que un solo c.i. pueda ser empleado para realizar diferentes tipos de funciones.
Un circuito integrado muy extendido es el VCO. Se trata de un generador de funciones de precisión. VCO son las siglas, en inglés, de este circuito integrado, que significan: voltage controlled oscilator. Un circuito integrado ICL8038 es un generador de funciones con el cual podemos generar señales con una gran exactitud y pueden ser formas sinusoidales, cuadradas, triangulares, dientes de sierra e impulsos. Para todo ello sólo se necesita el circuito integrado nombrado anteriormente y muy pocos componentes externos. Una aplicación muy importante de los VCO es su utilización en sintetizadores. Los VCO son el núcleo de un sintetizador. La estabilidad de todo el instrumento va a depender de las prestaciones del VCO. Entre las principales características de un VCO se encuentra la de poder seleccionar externamente la frecuencia en la que vamos a trabajar, pudiendo obtener un amplio margen de frecuencias útiles entre 0,001 Hz y 300 Hz. Esta selección se puede efectuar mediante resistencias y condensadores.
ICL8038 conectado para que la distorsión sea mínima
También podemos modular la frecuencia y el barrido con una tensión externa. Los VCO tienen un amplio margen de temperaturas para las que se consigue una salida estable. Si los conectamos con un PLL todavía se puede reducir más la deriva en temperatura. Otra característica importante es que con un VCO podemos obtener simultáneamente en la salida señales tipo seno, triangular y coseno. Si la salida es sinusoidal se produce una distorsión baja y normalmente la tensión que se obtiene a la salida es elevada. Además de todas estas cualidades, su manejo es bastante fácil y podemos conseguir que funcione perfectamente con unos pocos componentes externos.
El XR2206
El XR2206 es también un generador de funciones integrado. Con él podemos obtener a la salida una señal sinusoidal, cuadrada, triangular, del tipo diente de sierra o un tren de pulsos. Es bastante estable frente a las variaciones de temperatura y tiene una gran precisión. En estos circuitos, al igual que en los VCO, tenemos un amplio margen de frecuencias válidas, que va desde 0,01 Hz a más de 1 MHz y puede ajustarse externamente. Es posible, asimismo, modular la señal de salida en amplitud o frecuencia usando una tensión exterior. Este circuito integrado es bastante utilizado para comunicaciones e instrumentación, y, cuando necesitamos un tono sinusoidal modulado en FM o AM, también se utiliza. Podemos desplazar la frecuencia de oscilación usando una tensión de control exterior. Al hacer esto vamos a introducir un pequeño factor de distorsión pero que va a ser tan pequeño que nos merece la pena esta pequeña desventaja frente a los beneficios que produce. Estos circuitos integrados están formados por cuatro bloques: un VCO (oscilador controlado por tensión), un multiplicador analógico y configurador de onda, un amplificador de ganancia y un conjunto de interruptores de corriente. Las principales características de estos c.i. son su baja distorsión de la señal y una excelente estabilidad. Como ya hemos visto, también tienen un amplio desplazamiento de frecuencia, baja sensibilidad frente a variaciones en la alimentación y un alto margen de tensión de alimentación. Suelen ser usados como generadores de ondas sinusoidales, cuadradas, triangulares, etc. Generadores de AM y FM, generadores de tono, convertidores de tensión a frecuencia, etcétera.

Comparador de tensión
Ya sabemos que con un amplificador operacional unido a unos dispositivos externos, resistencias en su mayoría, podíamos construir un comparador de tensiones. También tenemos una serie de circuitos integrados, los LM710, que son comparadores de tensión de alta velocidad. Se han diseñado para ser utilizados en sensores digitales de precisión y también para reemplazar a los amplificadores operacionales que realizaban la función de comparar tensiones cuando necesitemos una alta velocidad de respuesta. Esta familia dispone de una entrada diferencia y tiene unos niveles de saturación que los hacen compatibles con la gran mayoría de las familias lógicas. Es un circuito integrado bastante estable frente a los cambios de temperatura. Está formado por un chip de silicio dopado con oro, siendo este tipo de dopaje el que hace que estos circuitos sean mucho más rápidos que los amplificadores operacionales. Además, no se pueden comparar las grandes ventajas que tienen los circuitos integrados debido a sus mínimas dimensiones y capacidad del cableado con las de los circuitos discretos que realizan la misma función. Entre las aplicaciones de los LM710 cabe destacar las siguientes: se pueden usar como moduladores del ancho de pulsos, comparadores de tensiones, convertidores A/D de alta velocidad y sensores de funcionamiento en equipos automáticos de medida. También hay algunas aplicaciones para estos circuitos integrados dentro de los sistemas digitales. Debido a su bajo coste suelen ser bastante utilizados.

El nombre de PLL viene de las siglas de su denominación en inglés, Phase Locked Loop. Al hablar de un PLL nos estamos refiriendo a un circuito realimentado. Cuando hablamos del lazo del PLL debemos pensar que éste se comporta como cualquier servo o sistema de retroalimentación de lazo cerrado. El lazo está formado por un filtro, un detector de fase y un VCO. Dentro de un PLL también vamos a encontrar dos divisores, que suelen ser muy necesarios. Por ejemplo, podemos usar el PLL en un sistema de comunicación de datos para obtener un reloj estable y libre de fluctuaciones a partir de una entrada muy fluctuante. Si tenemos una variación cuya amplitud es muy grande, va a ser necesario dividir el reloj de entrada para reducir la amplitud de dicha variación y que ésta sea menor que un intervalo de tiempo.
Otro ejemplo podría ser utilizar el PLL como sintetizador de frecuencia. Pero los divisores pueden traer algunos problemas, ya que si le introducimos un factor de división grande en el lazo de retroalimentación se puede reducir bastante la ganancia del lazo, y esto va a provocar un retroceso en la respuesta para cualquier cambio que se produzca en la entrada. Por lo tanto, los grandes divisores se deben evitar dentro del lazo de realimentación. Muchos de estos circuitos no tienen un comportamiento lineal debido a que la salida del detector de fase no es proporcional al error de fase y la frecuencia del VCO de salida tampoco guarda una relación lineal con el voltaje de control. Pero, en la mayoría de los casos, los PLL se comportan como un circuito lineal y así los vamos a ver.
Unos de los componentes más utilizados en los lazos de realimentación son los detectores de fase. Los detectores de fase, como su propio nombre indica, son capaces de determinar el desfase existente entre dos señales. Existe una gran variedad de ellos, de los que destacaremos los siguientes: detectores de fase muestreo y retención, detectores de fase de tipo discriminador, detectores de fase de tipo multiplicador y detectores de fase digitales. Dependiendo de la aplicación para la que vayamos a usar el PLL tendremos que ponerle un detector de fase u otro, ya que no hay uno que sea el mejor sino que depende del uso que le demos al circuito. Para elegir un detector u otro hay que tener en cuenta, principalmente, dos factores: el tipo de señal de entrada y el intervalo de error de fase de entrada en el cual la salida es lineal. Dependiendo del tipo de señal de entrada que le vamos a aplicar al PLL vamos a usar un tipo de detector de fase u otro ya que, por ejemplo, una entrada cosenoidal y una entrada digital requieren detectores de fase diferentes. Por otro parte, según sea el intervalo de error de fase de la entrada en el cual la salida es lineal también vamos a usar un detector de fase u otro. Cuanto más amplio sea dicho intervalo más útil va a ser el detector de fase para controlar el lazo y además el ruido va a afectar menos. Los detectores de fase de tipo multiplicador y los digitales son los que más se utilizan. Los primeros son útiles cuando la señal de entrada es de tipo cosenoidal y los segundos, como su nombre indica, son usados para señales de entrada de tipo digital.

Oscilador controlado por voltaje
Dentro del lazo de realimentación de un PLL aparte de un filtro y de un detector de fase se encuentra un VCO. Como ya sabemos, los VCO son osciladores controlados por voltaje. Hay varios tipos de VCO que se pueden usar en los PLL: osciladores de cristal, osciladores LC y multivibradores RC. Al igual que con los detectores de fase vamos a usar un VCO u otro dependiendo del tipo de aplicación que le vayamos a dar al PLL. Los dos factores que tenemos que analizar para elegir el tipo de VCO más adecuado son la estabilidad de fase y el intervalo de control. La frecuencia del VCO está sujeta a la señal de entrada, pero la relación de fase de salida del oscilador con la entrada va a depender de la frecuencia natural del oscilador. Por lo tanto, va a influir mucho el tipo de VCO que pongamos. La frecuencia natural de oscilación va a variar con la temperatura, el tiempo y el ruido de la entrada, produciéndose un cambio en la fase de salida que si es muy grande puede llegar a perderse la sujeción. Por lo tanto, para tener una buena estabilidad, la frecuencia del VCO debe ser lo menos variable posible frente a la temperatura, tiempo y ruido. Por otro lado, es conveniente que el VCO esté relacionado en un rango de frecuencias lo más grande posible, debido a que cuanto mayor sea el intervalo de control resulta más fácil para el lazo mantener dicho control.
PLL con un detector de fase y un detector de frecuencia
Estos dos factores no se pueden conseguir a la vez, es decir, tenemos que tener un compromiso para ver que precisamos más en cada aplicación debido a que si el intervalo de control es muy grande, la estabilidad de la fase frente al ruido y los cambios de temperatura va a ser bastante mala, y, al revés, si tenemos una estabilidad muy buena el intervalo de control será pequeño. Los osciladores de cristal son los más estables pero su intervalo de control resulta bastante pequeño. Son usados en los sintetizadores de frecuencia y en los sincronizadores de reloj. Sin embargo los multivibradores RC tienen un intervalo de control mucho más grande pero su estabilidad frente a los posibles cambios no es tan buena. Son utilizados como demoduladores de FM y decodificadores de tono.
Como ya hemos señalado, el ruido en la entrada de un PLL es un factor que, junto con la temperatura o el envejecimiento de los dispositivos, puede desestabilizar el circuito. Al hablar del ruido nos estamos refiriendo a señales no deseadas que se mezclan con la señal de entrada y pueden llegar a conseguir que no sepamos de qué tipo es la señal de entrada, o el tiempo de duración. Una característica muy importante en los PLL es el ancho de banda del ruido. Según la aplicación para la que vayamos a usar el PLL tenemos que decidir el ancho de banda de ruido.
Seguidor de modulación diseñado con un PLL
Normalmente tenemos dos tipos de PLL, unos de seguimiento de portadora y otros de seguimiento de modulación. Con los primeros podemos recobrar, por ejemplo, el reloj de la señal de entrada. Este reloj debe tener una modulación en frecuencia o en fase o una cantidad considerable de ruido y debido a esto debe tener una banda pasante lo más estrecha posible. Los otros tipos de PLL son los de seguimiento de modulación: trabajan como discriminadores, la salida del filtro debe reproducir el espectro de la banda base y la modulación en frecuencia o en fase. En este segundo caso, el ancho de banda del lazo debe ser más ancho que la mayor frecuencia moduladora. Un factor importante dentro del tratamiento del ruido es el umbral de ruido en los PLL. Hemos supuesto que, a pesar de tener ruido en la entrada, el lazo sigue "sujeto" y esto no es cierto del todo. Si ese ruido supera un cierto valor, denominado umbral de ruido, el lazo va a comenzar a perder ciclos y puede llegar a perder "la sujeción" pasando a no comportarse linealmente. El umbral de ruido de un PLL depende de la estructura de su lazo, más concretamente del detector de fase y del filtro. Otro factor que también tenemos que tener en cuenta para el buen funcionamiento del lazo en presencia de ruido de entrada es el espectro de frecuencia. Si nos mantenemos dentro de un rango de frecuencias adecuado, el lazo tolerará bastante bien el ruido, pero si nos salimos de ese rango tendremos muchos más problemas.
Un ejemplo de circuito integrado tipo PLL es el LM565. El lazo de realimentación de este PLL está formado por un VCO, un amplificador operacional que tiene una resistencia conectada a la salida y un detector de fase, que es de tipo multiplicador, como en la mayoría de los circuitos integrados monolíticos PLL. Al usar este tipo de detector de fase tenemos que asegurar que los notables cambios en la frecuencia de entrada no provoquen alteraciones muy grandes en la salida del detector. Este PLL puede tener varias aplicaciones, entre las que se encuentra su uso como seguidor de modulación.
Los PLL son muy utilizados dentro de la electrónica tanto analógica como digital. Entre sus aplicaciones más comunes se encuentran los sintetizadores de frecuencia, demoduladores de frecuencia y fase, moduladores de amplitud coherente, decodificadores de tono, sincronizadores de bits, etc. Los PLL son usados como sintetizadores de frecuencia en los sistemas de comunicación que necesitan frecuencias de portadora en intervalos discretos para espacios fijos entre canales, como, por ejemplo, la banda de canal UHF. El PLL que vamos a utilizar en este tipo de aplicaciones lleva un contador programable en el lazo de realimentación. Otra de las aplicaciones de los PLL son los decodificadores de tono que usan el principio de que si el ancho de banda del lazo de un PLL es pequeño sólo se podrá tener una indicación de sujeción si la frecuencia de entrada es muy próxima al centro de la frecuencia natural del VCO. Por lo tanto, para detectar un tono la frecuencia central del VCO debe estar ajustada a dicho tono, por lo que vamos a necesitar un PLL para cada uno de los tonos que queramos detectar. Otro tipo de aplicación consiste en obtener una señal demodulada partiendo de una modulada.
Nombre: Lenny Ramirez
Asignatura EEs

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Los transistores más conocidos son los llamados bipolares (NPN y PNP), llamados así porque la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante baja. 

Existen unos dispositivos que eliminan este inconveniente en particular y que pertenece a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de cargas, y por tanto, son unipolares. Se llama transistor de efecto campo.
Un transistor de efecto campo (FET) típico está formado por una barrita de material p ó n, llamada canal, rodeada en parte de su longitud por un collar del otro tipo de material que forma con el canal una unión p-n.
En los extremos del canal se hacen sendas conexiones óhmicas llamadas respectivamente sumidero (d-drain) y fuente (s-source), más una conexión llamada puerta (g-gate) en el collar.

La figura muestra el croquis de un FET con canal N
Simbolos gráficos para un FET de canal N

Disposición de las polarizaciones para un FET de canal N.
La Figura muestra un esquema que ayudará a comprender el funcionamiento de un FET. En este caso se ha supuesto que el canal es de material de tipo N.
La puerta está polarizada negativamente respecto a la fuente, por lo que la unión P-N entre ellas se encuentra polarizada inversamente y existe (se crea) una capa desierta.
Si el material de la puerta está más dopado que el del canal, la mayor parte de la capa estará formada por el canal. Si al tensión de la puerta es cero, y Vds = 0, las capas desiertas profundizan poco en el canal y son uniformes a todo lo largo de la unión.
Si Vds se hace positiva ( y Vgs sigue siendo cero) por el canal circulará una corriente entre sumidero y fuente, que hará que la polarización inversa de la unión no sea uniforme en toda su longitud y, en consecuencia, en la parte más próxima al sumidero, que es la más polarizada, la capa desierta penetrará más hacia el interior del canal.
Para valores pequeños de Vds, la corriente de sumidero es una función casi lineal de la tensión, ya que la penetración de la capa desierta hacia el interior del canal no varía substancialmente de su valor inicial. Sin embargo, a medida que aumenta la tensión aumenta también la polarización inversa, la capa desierta profundiza en el canal y la conductancia de éste disminuye. El ritmo de incremento de corriente resulta, en consecuencia, menor y llega un momento en que el canal se ha hecho tan estrecho en las proximidades del sumidero que un incremento de Vds apenas tiene efecto sobre la corriente de sumidero. Entonces se dice que el transistor está trabajando en la zona de estricción (pinch-off), nombre cuyo origen se evidencia en la figura anterior, llamándose tensión de estricción Vp a la del punto de transición entre el comportamiento casi lineal y el casi saturado.

Si a la puerta se le aplica una polarización negativa estacionaria, la capa desierta penetra más en el interior que con la polarización nula; por tanto, para pasar a la zona de estricción se necesita menos tensión de sumidero. El aumentar la polarización negativa permite tener la transición a la zona de estricción a corrientes de sumidero aún inferiores.

El funcionamiento del FET se basa en la capacidad de control de la conductancia del canal por parte de la tensión de puerta y, como la unión puerta-canal se encuentra siempre polarizada inversamente, el FET es por esencia un elemento de alta impedancia de entrada.
La corriente de sumidero Id es función tanto de la tensión de sumidero Vds como de la puerta Vgs. Como la unión está polarizada inversamente, suponemos que la corriente de puerta es nula, con lo que podemos escribir: 
Ig = 0 e Id = ƒ(Vds, Vgs) 
En la zona de estricción (saturación) en que las características son casi rectas (en el gráfico, son horizontales, pero en realidad tienen una pendiente positiva) podemos escribir la respuesta del transistor para pequeños incrementos de Vds y Vgs en esta forma

El parámetro rd se llama resistencia diferencial del sumidero del FET, y es la inversa de la pendiente de la curva. Que como en el gráfico, dicha pendiente es cero (en la realidad, como he dicho antes existe algo de pendiente), entonces la rd es infinita (muy grande).
El parámetro gm se le denomina conductancia mutua o transconductancia, y es igual a la separación vertical entre las características que corresponden a diferencias de valor de Vgs de 1 voltio.

Fuente: http://www.ifent.org/lecciones/fet/default.htm
Nombre: Lenny Ramirez
Asignatura: EES

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Circuitos Integrados

Circuito integrado, pequeño circuito electrónico utilizado para realizar una función electrónica específica, como la amplificación. Se combina por lo general con otros componentes para formar un sistema más complejo y se fabrica mediante la difusión de impurezas en silicio monocristalino, que sirve como material semiconductor, o mediante la soldadura del silicio con un haz de flujo de electrones.

Varios cientos de circuitos integrados idénticos se fabrican a la vez sobre una oblea de pocos centímetros de diámetro. Esta oblea a continuación se corta en circuitos integrados individuales denominadoschips. En la integración a gran escala (LSI, acrónimo de Large-Scale Integration) se combinan aproximadamente 5.000 elementos, como resistencias y transistores, en un cuadrado de silicio que mide aproximadamente 1,3 cm de lado. Cientos de estos circuitos integrados pueden colocarse en una oblea de silicio de 8 a 15 cm de diámetro. La integración a mayor escala puede producir un chip de silicio con millones de elementos. Los elementos individuales de un chip se interconectan con películas finas de metal o de material semiconductor aisladas del resto del circuito por capas dieléctricas. Para interconectarlos con otros circuitos o componentes, los chips se montan en cápsulas que contienen conductores eléctricos externos. De esta forma se facilita su inserción en placas. Durante los últimos años la capacidad funcional de los circuitos integrados ha ido en aumento de forma constante, y el coste de las funciones que realizan ha disminuido igualmente. Esto ha producido cambios revolucionarios en la fabricación de equipamientos electrónicos, que han ganado enormemente en capacidad funcional y en fiabilidad. También se ha conseguido reducir el tamaño de los equipos y disminuir su complejidad física y su consumo de energía. La tecnología de los ordenadores o computadoras se ha beneficiado especialmente de todo ello. Las funciones lógicas y aritméticas de una computadora pequeña pueden realizarse en la actualidad mediante un único chip con integración a escala muy grande (VLSI, acrónimo de Very Large Scale Integration) llamado microprocesador, y todas las funciones lógicas, aritméticas y de memoria de una computadora, pueden almacenarse en una única placa de circuito impreso, o incluso en un único chip. Un dispositivo así se denomina microordenador o microcomputadora.

En electrónica de consumo, los circuitos integrados han hecho posible el desarrollo de muchos nuevos productos, como computadoras y calculadoras personales, relojes digitales y videojuegos. Se han utilizado también para mejorar y rebajar el coste de muchos productos existentes, como los televisores, los receptores de radio y los equipos de alta fidelidad. Su uso está muy extendido en la industria, la medicina, el control de tráfico (tanto aéreo como terrestre), control medioambiental y comunicaciones.
Nombre: Lenny Ramirez
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Fujitsu Develops CMOS Logic-Based High-Voltage Transistor for Power Amplifiers

Enables single-chip integration of power amplifiers and CMOS logic control circuitry -

Kawasaki and Tokyo, Japan, December 17, 2008 — Fujitsu Laboratories Limited and Fujitsu Microelectronics Limited today announced the development of a CMOS logic(1) process-based high-voltage transistor featuring high breakdown voltage, suitable for power amplifiers used in wireless devices. As a world's first, Fujitsu developed a 45 nanometer (45nm)-generation CMOS-based transistor capable of handling 10 V power output, thus enabling the transistor to handle high-output requirements necessary for power amplifiers used in WiMAX(2) and other high-frequency applications. The new technology makes it possible for power amplifiers to be formed on the same die as CMOS logic control circuitry to achieve single-chip integration, thereby making high-performance, low-cost power amplifiers feasible. 
Details of this technology were presented at the 2008 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) held from December 15 to 17 in San Francisco. (Session/Presentation: 19.1) 
Due to the fact that power amplifiers for wireless devices demand high power output at high frequencies, currently compound semiconductors such as gallium-arsenide (GaAs) are commonly used, mounted as a chip separate from control circuitry based on a general-purpose CMOS logic chip. If these chips' functions could be integrated onto a single chip, it would enable cost reduction of the overall module and likely speed adoption of wireless devices to be used with wireless communication standards such as WiMAX and LTE(3). Thus, there is a need for transistors that are compatible with CMOS logic process technology, and which can satisfy the requirements of power amplifiers necessary for WiMAX and other wireless communication standards. 
Technological Challenges 
The power output required of power amplifiers for use in high-frequency applications, such as WiMAX, exceeds the breakdown voltage of transistors used with standard CMOS logic processes. Overcoming this hurdle while remaining compatible with CMOS process technology requires an increase in the transistor's breakdown voltage, which is achieved with a structure that lowers the electric field around the drain, as electric fields can lead to transistor failure. Furthermore, structures with high breakdown voltages typically increase the transistor's on-resistance(4), making it difficult to obtain satisfactory performance at high frequencies. Therefore, any solution would need to both raise breakdown voltage and avoid increasing on-resistance. 

Newly Developed Technology 
Figure 1: Structure of Fujitsu's newly developed transistor 
To overcome the aforementioned issues, Fujitsu developed a new transistor structure with the following key characteristics (Figure 1): 
The transistor's drain is surrounded by a "lightly doped drain" (LDD) region, which overlaps with the gate. This lowers the electrical field extending horizontally to the drain, and the electrical field extending to the gate oxide layer, thereby raising the breakdown voltage. 
The dopant distribution in the transistor channel follows a lateral gradient. This lowers the density of dopant on the drain side of the channel, thus limiting the increase in drain resistance, which is the main part of on-resistance. It also lowers the electrical field extending horizontally to the drain, also raising the breakdown voltage. 
The typical method for raising the breakdown voltage of a CMOS transistor has been to widen the gap separating gate and drain. This new structure suppresses on-resistance effectively compared to the conventional method, without increasing the gap. 
Furthermore, this new structure is believed to be highly compatible with standard transistors with 3.3 V I/O(5), since it requires only the additional steps of forming the LDD region and the custom channel region.

By using 45nm process technology to apply the new transistor's technology to standard transistors with 3.3 V I/O, Fujitsu developed the world's first transistor that raises the breakdown voltage from 6 V to 10 V. In regard to features that make the new transistor suitable for use in power amplifiers, power output of 0.6 W per gate width of 1mm (0.6 W/mm) was reached at maximum oscillation frequency of 43 GHz (Figure 2), thereby demonstrating sufficient performance for use as a power transistor in WiMAX. The new transistor also produced good results in basic reliability testing. 
Fuente: http://www.fujitsu.com/global/news/pr/archives/month/2008/20081217-01.html
Nombre: Lenny Ramirez
Asignatura: EES

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Metal-Semicond. Junctions

3.2.1. Structure   

The structure of a metal-semiconductor junction is shown in Figure 3.2.1. It consists of a metal contacting a piece of semiconductor. An ideal Ohmic contact, a contact such that no potential exists between the metal and the semiconductor, is made to the other side of the semiconductor. The sign convention of the applied voltage and current is also shown on Figure 3.2.1. 
Figure 3.2.1 : Structure and sign convention of a metal-semiconductor junction 
3.2.2. Flatband diagram and built-in potential   
The barrier between the metal and the semiconductor can be identified on an energy band diagram. To construct such diagram we first consider the energy band diagram of the metal and the semiconductor, and align them using the same vacuum level as shown in Figure 3.2.2 (a). As the metal and semiconductor are brought together, the Fermi energies of the metal and the semiconductor do not change right away. This yields the flatband diagram of Figure 3.2.2 (b).
Figure 3.2.2 : Energy band diagram of the metal and the semiconductor before (a) and after (b) contact is made. 
The barrier height, fB, is defined as the potential difference between the Fermi energy of the metal and the band edge where the majority carriers reside. From Figure 3.2.2 (b) one finds that for an n-type semiconductor the barrier height  
Where FM is the work function of the metal and c is the electron affinity. The work function of selected metals as measured in vacuum can be found in Table 3.2.1. For p-type material, the barrier height is given by the difference between the valence band edge and the Fermi energy in the metal:
A metal-semiconductor junction will therefore form a barrier for electrons and holes if the Fermi energy of the metal as drawn on the flatband diagram is somewhere between the conduction and valence band edge. 
In addition, we define the built-in potential, fI, as the difference between the Fermi energy of the metal and that of the semiconductor. 
The measured barrier height for selected metal-semiconductor junctions is listed in Table 3.2.1. These experimental barrier heights often differ from the ones calculated using (3.2.1) or (3.2.2). This is due to the detailed behavior of the metal-semiconductor interface. The ideal metal-semiconductor theory assumes that both materials are infinitely pure, that there is no interaction between the two materials and no unwanted interfacial layer. Chemical reactions between the metal and the semiconductor alter the barrier height as do interface states at the surface of the semiconductor and interfacial layers. Some general trends however can still be observed. As predicted by (3.2.1),the barrier height on n-type semiconductors increases for metals with a higher work function as can be verified for silicon. Gallium arsenide on the other hand is known to have a large density of surface states so that the barrier height becomes virtually independent of the metal. Furthermore, one finds that the barrier heights reported in the literature to vary widely due to different surface cleaning procedures.
Table 3.2.1: Workfunction in units of eV of selected metals and their measured barrier height on germanium, silicon and gallium arsenide. 
Example 3.1 Consider a chrome-silicon metal-semiconductor junction with Nd = 1017 cm-3. Calculate the barrier height and the built-in potential. Repeat for a p-type semiconductor with the same doping density. 
Solution The barrier height equals:
Note that this value differs from the one listed in Table 3.2.1 since the work function in vacuum was used. See the discussion in the text for more details.

3.2.3. Thermal equilibrium   
The flatband diagram, shown in Figure 3.2.2 (b), is not a thermal equilibrium diagram, since the Fermi energy in the metal differs from that in the semiconductor. Electrons in the n-type semiconductor can lower their energy by traversing the junction. As the electrons leave the semiconductor, a positive charge, due to the ionized donor atoms, stays behind. This charge creates a negative field and lowers the band edges of the semiconductor. Electrons flow into the metal until equilibrium is reached between the diffusion of electrons from the semiconductor into the metal and the drift of electrons caused by the field created by the ionized impurity atoms. This equilibrium is characterized by a constant Fermi energy throughout the structure. 
Figure 3.2.3 : Energy band diagram of a metal-semiconductor contact in thermal equilibrium. 
It is of interest to note that in thermal equilibrium, i.e. with no external voltage applied, there is a region in the semiconductor close to the junction ( ???? ), which is depleted of mobile carriers. We call this the depletion region. The potential across the semiconductor equals the built-in potential, fi.
3.2.4. Forward and reverse bias   
Operation of a metal-semiconductor junction under forward and reverse bias is illustrated with Figure 3.2.4. As a positive bias is applied to the metal (Figure 3.2.4 (a)), the Fermi energy of the metal is lowered with respect to the Fermi energy in the semiconductor. This results in a smaller potential drop across the semiconductor. The balance between diffusion and drift is disturbed and more electrons will diffuse towards the metal than the number drifting into the semiconductor. This leads to a positive current through the junction at a voltage comparable to the built-in potential.
Figure 3.2.4 : Energy band diagram of a metal-semiconductor junction under (a) forward and (b) reverse bias 
As a negative voltage is applied (Figure 3.2.4 (b)),the Fermi energy of the metal is raised with respect to the Fermi energy in the semiconductor. The potential across the semiconductor now increases, yielding a larger depletion region and a larger electric field at the interface. The barrier, which restricts the electrons to the metal, is unchanged so that that barrier, independent of the applied voltage, limits the flow of electrons. The metal-semiconductor junction with positive barrier height has therefore a pronounced rectifying behavior. A large current exists under forward bias, while almost no current exists under reverse bias.
The potential across the semiconductor therefore equals the built-in potential, fi, minus the applied voltage, Va.

Fuente: http://ecee.colorado.edu/~bart/book/book/chapter3/ch3_2.htm#fig3_2_3
Nombre: Lenny Ramirez
Asignatura EES

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