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• Marcela Vargas Peña

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Estructura de los semiconductores. Estructura del átomo. Todos los materiales están hechos de átomos, la estructura de los mismos contribuye a las propiedades eléctricas de un material, entre ellas la conductividad. Un átomo puede ser representado como una especie de sistema planetario donde su centro (o sol) está constituido por los protones que contienen cargas positivas y los neutrones sin carga alguna, éste núcleo atrae a los electrones planetarios pero a la vez pueden ser expulsados por una fuerza centrífuga creada por su movimiento circular. Los electrones más lejanos al núcleo se encuentran en la denominada banda de valencia y por lo tanto sufren un menor poder de atracción hacia el mismo por lo cual puede salir de su ruta normal con cierta facilidad.

Al salir de la banda de valencia el electrón se mueve hacia la capa de conducción convirtiéndose en un electrón libre.

El electrón viaja a la banda de conducción convirtiéndose en un electrón libre.

La facilidad con que esto suceda determina el nivel de resistividad al paso de la corriente de un material. Los materiales pueden clasificarse, de acuerdo con su resistividad, en conductores, semiconductores y aislantes. Conductores. Los conductores son materiales (generalmente metales), cuya estructura electrónica (uno o dos electrones de valencia) les permite conducir la corriente eléctrica a bajas temperaturas o temperatura ambiente; su resistividad al paso de la corriente eléctrica es muy baja. De acuerdo con la teoría de bandas, son aquellos materiales cuyas bandas de valencia y de conducción, se encuentran muy próximas entre si, al grado de que, en algunos casos, estas bandas se encuentran sobrepuestas. Los electrones libres son los que se han promovido a niveles energéticos superiores (banda de conducción) lo que da lugar a su mayor movilidad y, eventualmente, da origen a las corrientes eléctricas.

Aislantes. Los aislantes son materiales cuya estructura electrónica hace difícil la conducción de corriente eléctrica y por tanto una elevada resistencia al paso de la electricidad como en el caso de la lana, fibra de vidrio, yeso, caucho, porcelana, etc. En los aislantes, por su parte, las dos bandas están tan alejadas que la banda de conducción es inaccesible, motivo por el cual son incapaces de conducir la corriente:

Semiconductores.

En el caso de los semiconductores, las bandas de valencia y de conducción no se superponen, pero la diferencia energética entre ambas es pequeña, por lo que una pequeña aportación energética hará que puedan promocionar electrones a la banda de conducción y, por tanto, conducir la corriente eléctrica.

Bandas de valencia y conducción en los tres tipos básicos de materiales.

El germanio es un ejemplo de un material semiconductor. Este material tiene cuatro electrones en su banda de valencia. Anteriormente el germanio era el único material disponible para la fabricación de semiconductores; pero los dispositivos fabricados a base de germanio presentan excesivas corrientes inversas que no se pueden despreciar. Con el paso de los años se descubrió un semiconductor con mejores características. El silicio junto con el oxígeno es el más abundante elemento en la tierra; pero tenía ciertos problemas en el proceso de refinamiento que dificultaban el uso de silicio en los

primeros años. Una vez que estos problemas fueron resueltos el silicio se convirtió en una mejor solución.

Cristales de silicio. Cuando los átomos de silicio se combinan producen un sólido que posee patrones ordenados llamados cristales. Cada átomo se silicio comparte sus electrones de valencia con cuatro silicios vecinos en un enlace denominado covalente. Los ocho electrones de la capa exterior de los silicios en este tipo de enlace proporcionan un nivel de estabilidad que resulta en una sólida pieza de silicio. Cuando los elementos dentro de la naturaleza no poseen 8 electrones en su capa de valencia tienen tendencia a combinarse para completar un octeto de electrones en la capa más externa.

Electrones libres y huecos.

A temperatura ambiente la energía calorífica existente en el aire hace que el silicio vibre. En un cristal de silicio, las vibraciones de átomos puede producir la salida de electrones de la banda de valencia. Cuando esto pasa, los electrones liberados ganan suficiente energía para trasladarse hasta la banda de conducción generando un electrón libre. Al salir el electrón de la banda de valencia crea una vacante en este espacio llamado hueco. Este hueco se comporta igual que una carga positiva porque la pérdida de un electrón produce un ión positivo. El hueco atraerá y capturará un electrón libre que se encuentre en los espacios vecinos. La existencia de huecos es esencial en los semiconductores y precisamente, es lo que los posibilita para actuar como conductores o aislantes según se requiera. A temperatura ambiente solo se producen unos cuantos huecos y electrones libres por lo cual se requiere dopar el cristal de silicio.

Recombinación y tiempo de vida. En un cristal de silicio la energía térmica crea igual número de electrones libres y huecos. Estos electrones libres se mueven en forma aleatoria a través del cristal y ocasionalmente ocuparán un hueco. De tal forma que la recombinación es la unión de un electrón libre y el hueco.

La cantidad de tiempo entre la creación y la desaparición de un electrón libre es llamado tiempo de vida. Semiconductor intrínseco. Un semiconductor intrínseco es un semiconductor puro. Un cristal de silicio es un semiconductor intrínseco si cada átomo del cristal es un átomo de silicio. A temperatura ambiente el silicio actúa como un aislante porque solo se forman unos cuantos electrones libres y huecos debido a la energía térmica. Corrientes de electrones y huecos. Cuando se aplica un voltaje en un material intrínseco de silicio, los electrones libres que se han generado térmicamente en la banda de conducción, en un inicio se mueven de forma aleatoria entre la estructura de cristal, sin embargo se ven atraídos por el polo positivo de la fuente de voltaje lo que formará la denominada corriente de electrones.

En la banda de valencia, donde se crean los huecos a partir de la generación de electrones libres, los electrones libres que permanecen en la banda de valencia se pueden desplazar a la banda de valencia de su átomo vecino donde exista un hueco generado con un pequeño cambio en su nivel de energía y generando un hueco en el lugar que anteriormente ocupaba. Este movimiento de huecos de un lugar a otro es denominada corriente de huecos.

Dopado (doping). La conductividad del silicio y el germanio puede ser drásticamente incrementada por medio de la adición de impurezas controladas a un material semiconductor intrínseco a lo cual se le denomina dopado. Este proceso incrementa el número de portadores para la formación de corrientes. Un material de silicio al que se le ha adicionado impurezas se le denomina material intrínseco. Semiconductor tipo N. Para incrementar el número de electrones en la banda de conducción en un material de silicio intrínseco, impurezas de átomos pentavalentes son adicionadas. Estos átomos tienen cinco electrones en su último nivel energético tales como el arsénico, el bismuto, el fósforo y el antimonio. Un átomo pentavalente forma un enlace covalente con los cuatro silicios vecinos. Cuatro de los electrones de valencia del fósforo se unen al enlace covalente quedando uno de ellos fuera del enlace. Este electrón extra se convierte en un electrón de conducción ya que no está unido a algún otro átomo. Debido a que este átomo pentavalente puede entregar un electrón, se denomina átomo donador. Con lo cual las características de conducción del material son modificadas.

La mayoría de los portadores son los electrones es por ello que se les denomina portadores mayoritarios del material N. Aunque la mayoría de portadores en este tipo de material son los electrones, existen unos cuantos huecos que son creados cuando un par de electrones y huecos se generan por energía térmica, por lo cual se denominan a los huecos portadores minoritarios del material N.

Material tipo N

Material semiconductor tipo P. Mediante el uso de impurezas de tipo trivalente de aluminio, galio y boro se puede incrementar el número de huecos. Un material trivalente forma un enlace covalente con sus tres silicios vecinos, como un cuarto electrones son requeridos, un hueco resulta en los casos que una impureza trivalente es seleccionada. Debido a que un átomo trivalente puede tomar un electrón este es referido como un átomo aceptor.

En este caso la mayoría de portadores son los huecos, el silicio dopado con material trivalente es denominado material tipo P. Los huecos pueden ser tomados como cargas positivas debido a la ausencia de un electrón dentro del enlace. Los huecos son los portadores mayoritarios en el material P. Algunos pocos electrones se generan por efectos de la temperatura por los electrones son los portadores minoritarios en el material P.

Material tipo P

El diodo. Si a una pieza de silicio intrínseco se le dopa para formar una parte tipo N y otra parte tipo P., se forma la unión PN que forma la frontera entre las dos regiones y es entonces cuando se crea un diodo. La palabra diodo se forma de la contracción de dos “dos electrodos” donde di significa dos. Debido a la repulsión de entre electrones, éstos tenderán a difundirse en todas direcciones, mientras que algunos entrarán a la región P donde se convertirán en portadores minoritarios rodeados por huecos los cuales tenderán a ocupar. Cuando esto sucede el hueco desaparece y se forma un electrón de valencia.

La difusión a través de la unión crea un par de iones. Cuando un electrón deja el lado N, se lleva la carga negativa del átomo pentavalente por lo cual este átomo se convierte en un ión positivo. Después este electrón cae en un hueco del lado P lo que crea un ión negativo en al átomo trivalente que lo captura.

Cada par de iones de iones positivos y negativos de la unión se denominan dipolos. La creación de un dipolo significa que un electrón libre y un hueco han quedado fuera de circulación. Como crece la cantidad dipolos constituidos, la región cerca de la unión está libre de portadores a esta zona libre de carga se le denomina zona de deplexión o de agotamiento.

Barrera de potencial. Cada dipolo crea un campo eléctrico de tal modo que si un electrón libre quiere entrar a la región de deplexión, el campo eléctrico formado por los dipolos lo empujan de regreso a la región N, lo que delimita la cantidad de electrones que pasan a través de la unión. El campo eléctrico entre los iones es equivalente a un diferencial de potencial denominado barrera de potencial que equivale a 0.7V para los diodos de silicio y 0.3V para los diodos de germanio. Polarización Directa. En este tipo de polarización la terminal negativa de la fuente de voltaje es conectada a la parte N del diodo y la terminal positiva de la fuente de voltaje es conectada a la parte P del diodo. La batería empuja a los huecos y a los electrones libres hacia la unión: Si el voltaje de la batería es menor al de la barrera de potencial éstos no tendrán la suficiente fuerza para pasar al otro extremo a través de la zona de deplexión, cuando la fuente de voltaje rebasa ese valor los electrones libres tendrán la suficiente fuerza para pasar y recombinarse con los huecos. Entonces los huecos en la región P se mueven a la izquierda mientras que los electrones se mueven de la parte N a la derecha, de esta

forma existe un continuo flujo de electrones y huecos creándose así la corriente en el diodo.

Polarización inversa en el diodo.

Polarización inversa. Si la fuente de voltaje se coloca en forma inversa, esto es, la terminal positiva de la fuente se coloca en la parte N del diodo y la terminal negativa de la fuente se coloca en la parte P del diodo se está polarizando el diodo en forma inversa. La terminal negativa de la fuente atrae a los huecos y la terminal positiva atrae a los electrones, por lo que éstos fluyen fuera del área de la unión por lo cual la zona de deplexión se ensancha. El ancho de la zona de deplexión es tanta como el voltaje inverso que se aplica. Corriente de los portadores minoritarios. Existe una pequeña corriente durante la polarización inversa que se crea por la acción de la energía térmica que continuamente crea electrones libres y huecos, muchos de

éstos se recombinan pero algunos de ellos que se encuentran en la zona de deplexión pasan al otro extremo. La corriente inversa causada por la energía térmica es producida por los portadores minoritarios por lo cual es llamada corriente de saturación inversa IS. El nombre de saturación quiere decir que este tipo de corriente no se incrementará con el aumento del voltaje inverso.

Voltaje de Ruptura. Existe un límite de voltaje que el diodo puede soportar en polarización inversa antes de ser destruido. Si se continúa aumentando este voltaje eventualmente se alcanzará el voltaje de ruptura del diodo que en algunos diodos de propósito general puede ser de 50V, 100V o 1000V. Una vez que se ha alcanzado el voltaje de ruptura, una gran cantidad de portadores minoritarios aparece en la zona de deplexión y el diodo comienza a conducir corriente a esto se denomina efecto de avalancha. Símbolo del diodo. Los diodos son dispositivos semiconductores que permiten hacer fluir la electricidad solo en un sentido. La flecha del símbolo del diodo muestra la dirección en la cual puede fluir la corriente. Los diodos son la versión eléctrica de la válvula o tubo de vacío y al principio los diodos fueron llamados realmente válvulas.

Bibliografía. Electronics-Tutorial. (2005). PN Junction Diode. Recuperado el 8 de Julio de 2016, de http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_3.html Floyd, T. L. (2002). Dispositivos Electrónicos. New Yersey: Prentice Hall. Malvino, A. (2007). Principios de Electrónica. Nueva York: Mc Graw Hill.