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Pérdidas de voltaje debido a la recombinación

La tensión de circuito abierto es la tensión a la cual la corriente de difusión de polarización directa es exactamente igual a la corriente de cortocircuito. La corriente de difusión de polarización directa depende de la cantidad de recombinación en la unión p-n y el aumento de la recombinación aumenta la corriente de polarización directa. En consecuencia, una alta recombinación aumenta la corriente de difusión de polarización directa, lo que a su vez reduce el voltaje de circuito abierto. El parámetro del material que define la recombinación en polarización directa es la corriente de saturación del diodo. La recombinación está controlada por el número de portadores minoritarios en el borde de la unión, la rapidez con la que se alejan de la unión y la rapidez con la que se recombinan. Por consiguiente, la corriente de polarización directa oscura, y, por lo tanto, el voltaje de circuito abierto se ve afectado por los siguientes parámetros:

  1. El número de portadores minoritarios en el borde de la unión. El número de portadores minoritarios inyectados desde el otro lado es simplemente el número de portadores minoritarios en equilibrio multiplicado por un factor exponencial que depende del voltaje y la temperatura. Por lo tanto, minimizar la concentración de portador minoritario en equilibrio reduce la recombinación. Para minimizar la concentración de portadores en equilibrio se logra aumentando el dopaje;
  2. La longitud de difusión en el material. Una longitud de difusión baja significa que los portadores minoritarios desaparecen del borde de unión rápidamente debido a la recombinación, permitiendo así que más portadores se crucen y aumenten la corriente de polarización directa. En consecuencia, para minimizar la recombinación y lograr un alto voltaje, se requiere una alta longitud de difusión. La longitud de difusión depende del tipo de material, el procesamiento de la oblea y el dopaje en la oblea. Un dopaje elevado reduce la longitud de difusión, introduciendo así un balance necesario entre mantener una alta longitud de difusión (que afecta tanto a la corriente como al voltaje) y conseguir un alto voltaje;
  3. La presencia de fuentes de recombinación localizadas dentro de una longitud de difusión de la unión. Una fuente de recombinación alta cerca de la unión (normalmente una superficie o un borde de grano) permitirá a los portadores moverse a esta fuente de recombinación muy rápidamente y recombinarse, aumentando así drásticamente la corriente de recombinación. El impacto de la recombinación superficial se reduce mediante la pasivación de las superficies.

El efecto neto de las compensaciones anteriores se muestra en los gráficos siguientes.

doping vs diffusion length

Efecto del dopaje (ND) sobre la longitud de difusión y el voltaje en circuito abierto asumiendo superficies bien pasivadas..