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• Eugenio Puche Sánchez

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SEMICONDUCTORES Todos los circuitos integrados se fabrican con semiconductores, sustancias cuya capacidad de conducir la electricidad es intermedia entre la de un conductor y la de un no conductor o aislante.

Un circuito integrado contiene millones de uniones p-n, cada una de las cuales cumple una finalidad específica dentro de los millones de elementos electrónicos de circuito.

El silicio es el material semiconductor más habitual. Como la conductividad eléctrica de un semiconductor puede variar según la tensión aplicada al mismo, los diodos fabricados con semiconductores actúan como minúsculos conmutadores que abren y cierran el paso de corriente en sólo unos pocos nanosegundos (milmillonésimas de segundo). Esto permite que un ordenador pueda realizar millones de instrucciones sencillas cada segundo y ejecutar rápidamente tareas complejas.

La colocación y polarización correctas de las regiones de tipo p y tipo n hacen que la corriente eléctrica fluya por los trayectos adecuados y garantizan el buen funcionamiento de todo el chip.

El bloque básico de la mayoría de los dispositivos semiconductores es el diodo, una unión de materiales de tipo negativo (tipo n) y positivo (tipo p).

La conexión en polarización tendría esta forma:

POLARIZACIONES Si el terminal positivo de la fuente está conectado al material tipo p y el terminal negativo de la fuente está conectado al material tipo n, diremos que estamos en "Polarización Directa". directa

Los términos “tipo n” y “tipo p” se refieren a materiales semiconductores que han sido dopados, es decir, cuyas propiedades eléctricas han sido alteradas mediante la adición controlada de pequeñísimas concentraciones de impurezas como boro o fósforo. En un diodo, la corriente eléctrica sólo fluye en un sentido a través de la unión: desde el material de tipo p hasta el material de tipo n, y sólo cuando el material de tipo p está a una tensión superior que el de tipo n. La tensión que debe aplicarse al diodo para crear esa condición se denomina tensión de polarización directa. La tensión opuesta que hace que no pase corriente se denomina tensión de polarización inversa.

En este caso tenemos una corriente que circula con facilidad, debido a que la fuente obliga a que los electrones libres y huecos fluyan hacia la unión. Al moverse los electrones libres hacia la unión, se crean iones positivos en el extremo derecho de la unión que atraerán a los electrones hacia el cristal desde el circuito externo. Así los electrones libres pueden abandonar el terminal negativo de la

fuente y fluir hacia el extremo derecho del cristal. El sentido de la corriente lo tomaremos siempre contrario al del electrón.

Lo que le sucede al electrón: Tras abandonar el terminal negativo de la fuente entra por el extremo derecho del cristal. Se desplaza a través de la zona n como electrón libre.

Propiedades de los semiconductores  Una propiedad importante en los semiconductores es que posibilita el poder modificar su resistividad de manera controlada entre márgenes muy amplios. La razón primera de este comportamiento diferente reside en su estructura atómica, básicamente en la distancia interatómica de sus átomos en la red así como el tipo de enlace entre ellos. Así el enlace atómico depende del número de electrones de valencia de los átomos formantes del enlace y de la electronegatividad de los mismos. Los electrones de la capa externa o electrones de valencia son los que determinan y forman los enlaces y los que en su momento pueden determinar el carácter conductivo o no de él. En un semiconductor formado por dos elementos químicos diferentes (Arseniuro de Galio) la asimetría conlleva en general una cierta pérdida de carácter covalente

puro, en el sentido de desplazar el centro de gravedad de la carga hacia uno u otro átomo. El parámetro que determina este desplazamiento es la electronegatividad de los átomos constituyentes. Cuanto más diferente sea, mayor será el desplazamiento y el enlace será más iónico que covalente. La estructura cristalina de los semiconductores es en general compleja aunque puede visualizarse mediante superposición de estructuras más sencillas. La estructura más común es la del diamante, común a los semiconductores Si y Ge, y la del ZincBlenda que es la del Arseniuro de Galio. En estas redes cristalinas cada átomo se encuentra unido a otros cuatro mediante enlaces covalentes con simetría tetraédrica. Se requiere que posean unas estructuras cristalinas únicas, es decir, que sea monocristal. Dependiendo de cómo se obtengan éste puede presentarse en forma de monocristal, policristal y amorfo. El comportamiento electrico de los materiales semiconductores (resistividad y movilidad) así como su funcionamiento depende de la estructura cristalina del material de base, siendo imprescindible la forma monocristalina cuando se requiere la fabricación de circuitos integrados y dispositivos electroópticos (láser, leds). En lo referente al transporte de carga en semiconductores el fenómeno de las colisiones de los portadores con otros portadores, núcleos, iónes y vibraciones de la red, disminuye la movilidad. Ello guarda relación con el parametro de la resistividad (o conductividad) definido como la facilidad para la conducción eléctrica, depende intrínsecamente del material en cuestión y no de su geometria. Así pues en los fenómenos detransporte en semiconductores y a diferencia de los metales, la conducción se debe a dos tipos de portadores, huecos y electrones.

MATERIALES EXTRINSECOS Un material extrínseco es un material semiconductor que se ha sujetado a un proceso de dopaje. Material Tipo N Tanto los materiales tipo n como los tipo p se forman cuando se añade un numero predeterminado de átomos de impureza a una base de germanio o de silicio. El material tipo n se crea al introducir elementos impuros que cuentan con cinco electrones de valencia (pentavalentes) como el caso del antimonio, el arsénico o el fosforo. Las impurezas que cuentan con cinco electrones de valencia se denominan átomos donores. Material Tipo P Se forma mediante el dopado de un cristal puro de germanio o de silicio con átomos de impureza que cuenten con tres electrones de valencia. Los elementos que se utilizan de forma mas frecuente son: el boro, el galio y el indio. Las impurezas difundidas que cuentan con tres electrones de valencia se denominan átomos aceptores. Materiales Intrinsecos Un cristal intrínseco es aquél que se encuentra puro (aunque no existe prácticamente un cristal 100% puro); es decir, no contiene impurezas; mientras que un cristal extrínseco es aquél que ha sido impurificado con átomos de otra sustancia. Al proceso de impurificación se le llama también dopado, y se utiliza para obtener electrones libres que sean capaces de transportar la energía eléctrica a otros puntos del cristal. Un material en estado intrínseco puede tener electrones libres cuando algunos de sus electrones de valencia llegan a romper su enlace covalente por adquirir energía adicional debido a fuentes de calor o de

luz; o bien debido a las pocas impurezas que no han podido eliminarse; sin embargo, la energía ganada disminuye cuando el electróntiene alguna colisión con otra partícula, volviendo a cantidades de energía propias de la banda de valencia, haciendo que el electrón viajero “se aloje”, en algún hueco disponible, dándose el fenómeno llamado recombinación. Los huecos que resultan de la liberación de estos electrones son en cantidades poco significativas; así que tanto las cargas libres negativas o positivas en el cristal no serían suficientes para transportar cantidades de electricidad significativas. Por lo tanto, si se desea que un material semiconductor pueda ser capaz de transportar la corriente eléctrica de mejor manera, se procede a impurificarlo.

TIPO P Y TIPO N Semiconductor tipo N  Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativas o electrones). Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones. El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce eldopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo

con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.... Semiconductor tipo P Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos). Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos comohuecos. El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo IVA de la tabla periódica) de los átomos vecinos se le une completando así sus cuatro enlaces. Así los dopantes crean los "huecos". Cada hueco está asociado con un ion cercano cargado negativamente, por lo que el

semiconductor se mantiene eléctricamente neutro en general. No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado por un electrón. Por esta razón un hueco se comporta como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural. APLICACIÓN DEL DIODO La principal aplicación del diodo es la obtención de una tensión contínua a partir de una fuente de corriente alterna lo cual ocurre porque deja circular corriente a través suyo cuando se conecta el polo positivo de la fuente al ánodo, y el negativo al cátodo, y se opone al paso de la misma si se realiza la conexión opuesta de forma que realiza así la conversión de corriente alterna en continua al permitir solo el paso de la alternancia positiva. A este proceso se le llama "rectificación".

FISICA DEL ESTADO SOLIDO DEL DIODO Distribución de carga Cuando existen materiales de tipo p y de tipo n juntos en un cristal, se producen una redistribución de carga. Algunos de los electrones libres del material n migran a través de la unión y se combinan con huecos libres en el material p. De la misma forma, algunos de los huecos libres

de material p se mueven a través de la unión y se combinan con electrones libres en el material n. Como resultado de esta redistribución de carga, el material p adquiere la carga negativa neta y el material n obtiene una carga positiva neta. Estas cargas crean un campo eléctrico y una diferencia de potencial entre los dos tipos de material que inhibe cualquier otro movimiento de carga. El resultado es una reducción en el número de portadores de corriente cerca de la unión. Esto sucede en un área conocida como región desértica. Estampó eléctrico resultante proporciona una barrera de potencial, o colina, en una dirección que inhibe la migración de portadores a través de la unión. Relación entre la corriente y la tensión en un diodo  Existe una relación exponencial entre la corriente del diodo y en potencial aplicado. La relación se describe por medio de la ecuación (1.1).

La ecuación (1.1) se puede simplificar definiendo

Esto da

(1.2) Si se opera a temperatura ambiente (25ð c) y solo en la región de polarización en directo, entonces predomina el primer termino en el paréntesis y la corriente está dada aproximadamente por

Los términos de la ecuación (1.1) se definen como sigue: ID = corriente en el diodo vD = diferencia de potencial a través del diodo I0 = corriente de fuga q = carga del electrón: 1.6 x 10-19 coulombs k = constante de Boltzman 1.38 x 10-23 J/ð k T = temperatura absoluta en grados kelvin n = constante empírica entre 1 y 2

(1.3) La corriente desaturación inversa, I0, es función de la pureza del material, de la combinación y de la geometría del diodo. La constante empírica, n, es un número propiedad de la construcción del diodo y puede variar de acuerdo con los niveles de tensión y de corriente. Aunque las curvas para la región en

directo mostrados en la figura 1.15 recuerdan una línea recta, se sabe que la línea no es recta, ya que sigue una relación exponencial, esto significa que la pendiente de la línea se modifica conforme cambia iD. Se puede diferenciar la expresión de la ecuación (1.) para encontrar la pendiente en cualquier iD dada:

(1.4)  

Figura 1.15 Aunque se sabe que rd cambia cuando cambian iD, se puede suponer fija Para un intervalo de operación específico.

En la unión se recombina con un hueco y se convierte en electrón de valencia. Se

desplaza a través de la zona p como electrón de valencia. Tras abandonar el extremo izquierdo del cristal fluye al terminal positivo de la fuente.