• Author / Uploaded
• Rosa Sucasaca

Citation preview

SEMICONDUCTORES Introducción.- Para comprender cómo funciona los diodos, transistores y circuitos integrados es necesario estudiar los materiales que no se comportan ni como conductores

semiconductores

ni como aislantes. Los

semiconductores poseen algunos electrodos libres, pero lo que les confiere un carácter especial es la presencia de huecos. En este capítulo aprenderá conceptos relacionados con los semiconductores y sus propiedades más relevantes. 1.

Conductores El cobre es un buen conductor. La razón es evidente si se tiene en cuenta su estructura atómica, como se ve en la Fig. 2-1. El núcleo o centro del átomo contiene 29 protones (cargas positivas). Cuando un átomo de cobre tiene una carga neutra, 29 electrones (cargas negativas) circulan alrededor del núcleo, como los planetas alrededor del sol. 1.1.

Orbitas estables

El núcleo positivo en la Figura 2.1 atrae los electrones orbitales. Estos no caen hacia el núcleo a la fuerza centrífuga (hacia afuera) creada por su movimiento orbital. Cuando un electrón se halla e una órbita estable, la fuerza centrífuga equilibra extremadamente la atracción eléctrica ejercida por el núcleo. La fuerza centrífuga es menor en los electrodos más lentos. Los electrodos de las órbitas más alejadas del centro se mueven a menor velocidad que los electrodos de las órbitas más alejadas del centro se mueven a menor

velocidad que los electrodos

de las órbitas más

cercanas. 1.2.

La parte interna del átomo y el electrón libre

Como se puede apreciar en la fig. 2-1, el núcleo y los electrones de órbitas internas son de poco interés en el estudio de la electrónica.

La atención en la mayor parte de este libro

estará puesta en la

órbita exterior, también llamada órbita de valencia. Es esta órbita exterior la que determina las propiedades eléctricas del átomo. Para subrayar la importancia de la órbita exterior, se define la parte interna (core) de un átomo como el núcleo más todas las órbitas. Para un átomo de cobre, la parte interna de un núcleo (+29) y las tres primeras órbitas (-28). La parte interna de un átomo de cobre tiene una carga resultante de +1, porque tiene 29 protones y 28 electrones internos. Como el electrón de valencia se encuentra en una órbita exterior alrededor de la parte interna con una carga resultante de +1, la atracción que sufre este electrón es muy pequeña. Como la atracción es tan débil, este electrón recibe el nombre de electrón libre. 2.

Semiconductores Un semiconductor es un elemento con valencia 4, lo que quiere decir que un átomo aislado de semmiconductor tiene 4 electrones en su órbita exterior o de valencia. El número de lectores en la órbita de valencia es clave para la conductividad eléctrica. Los conductores poseen un electrón de valencia, los semiconductores tiene 4 y los aislantes 8 electrones de valencia. La etiqueta de semiconducores por sí proporcionan una pista en cuanto a las características de este dispositivo. El prefijo semi se aplica por lo general a una gama de niveles que se encuentren a la mitad entre dos límites. El término conductor se aplica a cualquier natural que soporte

un

generoso flujo de:  Carga cuando se aplica una fuente de voltaje de magnitud limitada a través de sus terminales.  un aislantes es un material que ofrece un nivel muy pobre de conducción bajo la tensión de una fuente de voltaje aplicada.

 Por lo tanto, un semiconductor es un material que tiene un nivel de conductividad situado entre los casos extremos de un aislante y un conductor. Los

componentes

semiconductores

se

fabrican

principalmente

de

germanio y de silicio. Posteriormente, se empezaron a emplear también componentes de combinaciones de otros elementos, por ejemplo, de galio y arsenio (arseniuro de galio). Los átomos se componen del núcleo y de una serie de capas de electrones concéntricas con él. Estas capas están ocupadas por distinto numero de electrones según cual sea la capa y el elemento químico. 2.1. Germanio El germanio es un ejemplo, se semiconductores. En la fig. 2-2 se muestra un átomo de germanio. En el centro se halla un núcleo con 32 protones. En este caso los electrones se distribuyen cono sigue: 2 electrones en la primera órbita, 8 en la segunda y 18 en la tercera. Los últimos 4 electrones se localizan en la órbita exterior o de valencia. 2.2.

Silicio

El material semiconductor más ampliamente utilizado es el silicio. Un átomo aislado

de silicio tiene 14 protones y 14 electrones.

Como puede apreciarse en el fig. 2-3, la primera órbita contiene 2 electrones, y la segunda contiene 8. Los 4 electrones se hallan en la órbita exterior. 2.3. Conducción

de

la

corriente

en

los

materiales

semiconductores En la fig. 382 nos muestra que los materiales semiconductores presentan una conductividad eléctrica menor que la de los metales

pero mayor que la de los aisladores. Por ello, se

denominan semicinductores los materiales como el germanio y el silicio.

2.1.

La conectividad de los semiconductores depende

de la temperatura. Cuando se aplica una tensión a un cristal semiconductor los electrones liberados se moverán a través del cristal en dirección al polo positivo de la fuente. En aquellos

puntos, de los átomos

donde se encontraban los electrones ya liberados faltan las cargas negativas. Estos puntos con defecto de electrones se denomina huecos. Como ahora la carga positiva del núcleo

atómico es

mayor que la del conjunto de sus electrones es mayor que la del conjunto de sus electrones resultará que los huecos aparecerán siempre cargados positivamente. La carga positiva de un hueco es de igual valor absoluto que la carga negativa del electrón. 3.

CRISTALES DE SILICIO Cuando los átomos de silicio se combinan para formar un sólido se combinan para formar un sólido, lo hacen formados una estructuras ordenas llamada cristal. Cada átomo de silicio comparte sus electrones de valencia con los átomos de silicio vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones

en la órbita de valencia, como se

muestra en la fig. 2-4.

Cuando un átomo posee 8 electrones en su órbita de valenia, como se parecia aquí, se vuelve químicamente estable, los círculos sombreados representan las partes internas del silicio. Aunque el átomo central tenía originalmente 4 electrones en su órbita de valencia, ahora tiene 8 electrones en esa órbita. 3.1.

Enlaces covalentes

Cada átomo vecino comprende un electrón con el central. De esta forma, el átomo central parece tener 4 electrones adicionales, sumando un total de 8 electrones en su órbita de valencia. En

realidad, los electrones dejan de pertenecer a un solo átomo, ya que ahora están compartidos por átomos adyacentes. En la fig. 2-4, cada parte interna presenta una carga de +4. Obsérvase la parte interna central y la que está a su derecha. Estas dos partes mantienen el par de electrones

entre ellas

atrayéndolos con fuerzas iguales y opuestas. Este equilibrio entre las fuerzas es el que mantiene unidos a los átomos de silicio. La idea es similar a la del juego de tirar de la cuerda. Mientras lo equipos

tiren con fuerza iguales y opuestas, permanecerán

unidos. 3.2.

No más d 8 electrones de valencia

Cada átomo en un cristal de silicio tiene 8 electrones en su órbita de valencia. Estos 8 electrones produce una estabilidad química que da como resultado un cuerpo compacto de material de silicio. La órbita de valencia no tiene capacidad para más de 8 electrones por eso se dice que está llena

o saturada cuando contiene 8

electrones. Además, lo 8 electrones de valencia se llaman electrones

ligados por encontrarse fuertemente unidos en los

átomos. Debido a estos electrones ligados, un cristal de silicio es casi

un

aislante

perfecto

a

temperatura

ambiente

(aproximadamente 25°C). 3.3.

La energía térmica puede crear huecos

La temperatura

ambiente es la temperatura del aire circundante.

Cuando la temperatura ambiente es mayor que el cero absoluto (273°C), la energía térmica del aire circundante hace que los átomos en un cristal de silicio vibren dentro del cristal. Cuando mayor sea la temperatura ambiente, más intensas

serán las

vibraciones mecánicas de estos átomos. Las vibraciones de los átomos silicio pueden, ocasionalmente, hacer que se desligue un electrón de la órbita de valencia. Cuando

sucede esto, el electrón liberado gana la energía suficiente para situarse en una órbita mayor, como se muestra en la fig. 2-5. En dicha órbita, el electrón es un electrón libre. Además, la salida del electrón deja un vacío en la órbita de valencia. 3.4.

Recomendaciones y tiempo de vida

En un cristal de silicio puro se crean igual número de electrones libres que de huecos debido a la energía térmica (calor). Los electrones libres se mueven de forma aleatoria a través

del

cristal. En ocasiones, un electrón libre se aproximara a un hueco, será atraído y caerá hacia él. Esta unión de un electrón libre y un hueco se llama recombustión. El tiempo que transcurre entre la creación y la desaparición de un electrón libre recibe el nombre de tiempo de vida. Varía desde unos cuantos nanosegundos a varios microsegundos, según la perfección del cristal y otros factores. 5.

Semiconductores Intensos Un semiconductor intenso es una semiconductor . un cristal de silicio es un semiconductor intenso si cada átomo del cristal

es un átomo de

silicio. A temperatura ambiente }, un cristal se silicio s comporta más o menos como un aislante, ya que tiene

solamente cuantos electrones

libres y sus huecos producidos por excitación térmica. 4.1.

Flujo de electrones libres

La fig. 2-6

muestra parte de un cristal de silicio entre dos placas

metálicas cargadas . supóngase que la energía térmica ha producido un electrón libre y un hueco. El electrón libre se halla en una órbita grande en el extremo derecho del cristal. Debido a la placa cargada negativamente, el electrón hacia

libre es repelido

la izquierda. Este electrón puede pasar de una órbita

grande a la siguiente hasta alcanzar la placa positiva.

4.2.

Flujo de huecos

Obsérvese el hueco a la izquierda de la fig. 2-6. Este hueco atrae al electrón de valencia del punto A, lo que provoca que el electrón de valencia se mueva hacia el hueco. Esta acción no es la misma que la recombustión, en la cual un electrón libre cae en un hueco. En vez de un electrón

libre, se tiene electrón

de valencia

moviéndose hacia un hueco. Cuando el electrón de valencia en el punto A se mueve hacia la izquierda, crea un nuevo hueco en el punto A. el efecto es el mismo que si el hueco original se desplazara hacia la derecha. El nuevo hueco en el punto A puede atraer y capturar otro electrón de valencia. De esta forma, los electrones

de valencia pueden

desplazarse a lo largo de la trayectoria indicada por las flechas. Esto quiere decir que el hueco se puede mover en el sentido opuesto a lo largo de la trayectoria A-B-C-D-E-F. 5.

Dos tipos de flujo La fig. 2-7 muestra un semiconductor intríseco. Obsérvese que tiene el mismo número de electrones libres que de huecos. Esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares. La tensión aplicada forzará a los electrones libres a circular hacia la izquierda y a los huecos hacia la derecha. Cuando los electrones libres llegan al extremo izquierdo del cristal, entran al conductor extremo y circulan hacia el terminal positivo de la batería. Por otra parte, los electrones libres en el terminal negativo de la batería fluirán hacia el extremo derecho del cristal. En este punto, entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo derecho del cristal. Así se procede un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor. Dos tipos de flujo: el de los electrones libres en una dirección y el de los huecos en dirección opuesta. Los electrones libres y los huecos reciben a menudo

la

denominación

común

de

portadores

transportan la carga eléctrica de un lugar a otro.

debido

a

que

6.

Dopado de un semiconductor Una forma de aumentar

la conductividad de un semiconductor es

mediante el dopado. El dopado supone que deliberadamente se añadan átomos de impurezas a un cristal intríseco para modificar

su

conductividad eléctrica. Un semiconductor dopado se llama semiconductor extrínseco. 6.1.

Aumento del número de electrones libres

¿Cuál es el proceso de dopado de un cristal de silicio? El primer paso consiste en difundir un cristal puro de silicio de sólido. Con el fin de aumentar el número de electrones libres, se añaden átomos pentavalentes al silicio fundido. Los átomos pentavalentes tiene 5 electrones e la órbita de valencia. El arsénico, antimonio y el fósforo son ejemplos de átomos pentavalentes. Como estos materiales

donarán un electrón extra al cristal de silicio se les

conoce como impurezas donadoras. La fig. 2-8 muestra cómo queda el cristal de silicio después de enfriarse y volverse a tomar su estructura de cristal sólido. En el centro se halla un átomo pentavalente rodeado

por cuatro

átomos de silicio. Como antes, los átomos vecinos comparten un electrón con el átomo central. Pero electrón adicional. Recuérdese que

en este caso queda

un

cada átomo pentavalente

tiene 5 electrones de valencia, el electrón adicional queda en una órbita mayor. en otras palabras, se trata de un electrón libre. Cada átomo pentavalente, o donador, en un cristal de silicio produce un electrón libre. Un fabricante controla así la conductividad de un semiconductor dopado. Cuantas impurezas se añadan, mayor será la conductividad. Así, un semiconductor se puede dopar ligera o fuertemente. Un

semiconductor dopado ligeramente

tiene una grana resistencia eléctrica y uno fuertemente dopado tiene una resistencia pequeña.

6.2.

Aumento del número de huecos

¿Como dopar un cristal huecos?.

La

de silicio para

respuesta

es

que

obtener un exceso de

utilizando

una

impurezas

trivalentes: es decir una impureza cuyos átomos tengan sólo 3 electrones de valencia como por ejemplo el aluminio, el boro o el galio. La fig. 2-8b muestra un átomo trivalente en el centro. Esta rodado por cuatro átomos de silicio, cada uno compartiendo uno de sus electrones de valencia como el átomo trivalente tenía al principio sólo 3 electrones de valencia y comparte un electrón con cada uno de sus vecinos, hay sólo 7 electrones en la órbita de valencia. Esto significa que hay un hueco en la órbita de valencia de cada átomo trivalente. Un átomo trivalente se denomina también átomo aceptar un electrón libre durante la recombinación. 6.3.

Puntos que hay que recordar

Para

que u fabricante pueda adoptar un semiconductor, debe

producirlo inicialmente

cono un cristal absolutamente

puro.

Controlando posteriormente la cantidad de impurezas, puede determinar con precisión las propiedades del semiconductor. Inicialmente resultaba más fácil producir cristales puros de germanio que de silicio. Por esta razón los primeros dispositivos semicondcutores

estaban

mejoraron las técnicas

hechos

de

germanio.

Después

de fabricación y se pueden obtener

cristales puros de silicio. Por las ventajas que tiene, el silicio se ha erigido como el material semicnductor más popular y útil. 7.

Dos tipos de semiconductores extrínsecos Un semiconductor se puede dopar para

que

tenga un exceso de

electrones libres o un exceso de huecos. Debido a ello, existen dos tipos de semicondcutores dopados.

Un material semicopnductor

que se a sometido

a este proceso de

dopando se denomina material extrínseco. Hay dos materiales extrínsecos de importancia invaluable para

la

fabricación de dispositivos semicobnductores: el tipo p. cada uno se describirá con cierto detalle en los siguientes párrafos. 7.1.

Semiconductores tipo n

El silicio

que

ha sido dopado con una impureza pentavalente se

llama semiconductor tipo n hace referencia a negativo. En la fig. 2-9 muestra un semiconductor tipo n. como los electrones superan a los huecos en un semiconductor portadores mayoritarios, mientras

tipo n, recibe el nombre de que los

huecos se les

denomina portadores minonoritarios. Los electrones libres

mostrados en la fig. 2-9 circulan hacia el

extremo izquierdo del cristal, donde entran la conductor y fluyen hacia el terminal positivo de la batería. Además de los electrones libres. Algún electrón de valencia abandona ocasionalmente el extremo izquierdo del cristal. La salida de este electrón de valencia crea un hueco en el extremo izquierdo del cristal. 7.2.

Semoconductores tipo p

El silicio que ha

dopado con impurezas trivalentes se llama

semiconductores tipo p, donde p hace referencia a positivo. La Fig. 2-10 representa un semiconductor tipo p, como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos portadores

mayoritarios

y

los

electrones

libres

son

son los

minoritarios. Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia le derecha. En la fig. 2-10, los huecos que llegan

al extremo derecho del cristal se

recombinan con los electrones libres del circuito extremo.

En el diagrama de la fig. 2-10 hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda, como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito. El material tipo p se forma dopando un cristal puro de germanio o silicio con átomos de impureza que tenga tres electrones de valencia. Los elementos que se emplean con mayor frecuencia para este propósito son el boro, el galio y el indio. El efecto de uno de estos elementos (el boro) sobre silicio base se indica en la fig. 1-11. El material p

resultado es eléctricamente neutro, por las mismas

razones que las del material tipo p. 7.3.

Electrón contra efecto hueco El efecto de un hueco en la conducción se muestra en la fig. 1-12. Si

un electrón de valencia adquiere suficiente energía para

romper su enlace covalente y llenar la vacante creada por un hueco, se creará una vacante o hueco en el enlace covalente que liberó a ese electrón. En consecuencia, hay una transferencia de huecos hacia la izquierda y de electrones hacia la derecha, como se muestra en la fig. 1.12. la dirección que se empleará en este libro es la que corresponde al flujo convencional, la cual se indica mediante la dirección del flujo de huecos. 7.4.

Portadores mayoritarios y mimoritarios En el estado intrínseco, el número del electrones libres en el Ge o el Si se debe sólo a aquellos pocos electrones

en la banda de

valencias que han adquirido suficiente energía de

fuentes

térmicas o luminosas para romper el enlace covalente o las pocas impurezas que podría no haberse eliminado. Las vacantes que se quedan atrás en la estructura del enlace covalente reresmetan nuestros muy limitados suministros de huecos. En un material tipo n, el número de huecos no ha cambiado de manera significativa a

partir de este nivel intrínse. El resultado neto por lo tanto, es que el número de electrones excede en demasi al número de huecos. Por esta razón: en un material tipo n (fig. 1.13 a) electrón se denomina portador mayoritario y el hueco, portador minoritario. Para el material tipo p, el número de huecos supera ampliamente al número de electrones, como se muestra en la fig. 1.13b. por lo tanto: en un material tipo p el hueco es un portador mayoritario y el electrón es el portador minoritario. 8.

El diodo no polarizado Como se ha expuesto en sesiones anteriores, cada átomo pentavalente es un cristal de silicio produce un electrón libre. Por esa razón puede representarse un cristal de semiconductor tipo n como se demuestra en el lado derecho de la fig. 2-11. Cada signo más encerrado en un círculo representa un átomo pentavalente y cada signo menos es el electrón libre con el que contribuye en el semiconductor. De

manera

similar,

los

átomo

trivalentes

y

los

huecos

en

un

semicondutor tipo p se pueden representar como se aprecia en e lado izquierda

de

la

fig.

2-11.

Cada

signo

menos

encerrado

en

un

semicoductor representa un átomo trivalente y cada signo más es el hueco de su órbita de valencia. Obsérvese que cada cristal de material semiconductor es eléctricamente neutro porque el número

de signos

menos y más es igual. 8.1.

La zona de deplexión

Debido a su repulsión mutua, los electroneslibres en el lado n d ella fig. 2-12 tienden a dispersarse en cualquier dirección. Algunos electrones libres se difunden atravesando la unión. Cuando electrón libre entra en la región p

un

se convierte en un portador

minoritario. Con tantos huecos a su alrededor, este electrón tiene un tiempo de vida muy corta. Poco después de entrar en la región p el electrón libre cae en un hueco, cundo esto sucede, el hueco desaparece y el electrón libre se convierte en un electrón de valencia. Cada vez que un electrón se difunde a través de la unión crea un par de iones. Cuando un electrón abandona el lado n dejo un átomo pentavalente a que le hace falta una carga negativa; este átomo

se convierte en ion

positivo. Una vez que el electrón cae en un hueco en el lado p. el átomo trivalente que lo ha capturado se convierte en ion negativo. 8.2.

Barra de potencial

Cada dipolo tiene un campo eléctrico entre los iones positivos y negativos. Por tanto, si electrones libres adicionales entran a la zona de deplexión, el campo eléctrico trata de devolver estos electrones hacia la zona n. la intensidad del campo eléctrico aumenta con cada electrón que cruza hasta que se alcanza el equilibrio. En una primera aproximación tal coda significa que el campo acabará por detener la difusión de electrones a través de la unión. 8.3. La

unión de pn fig.

391

nos

muestra

dos

trozos

unidos

de

materiales

semiconductores, 1 de tipo n y el otro de tipo p. tal

como nos indican las flechas, en una estrecha capa a ambos lados de la superficie de contacto los huecos y los electrones tienden a desplazarse a la parte opuesta del cristal. Este movimiento se denomina difusión. Cuando

los electrones se

difunden en el cristal de tipo p se toparan con huecos y se recombinaran con ellos. Lo mismo ocurre con los huecos que se difunden en el cristal de tipo n.

por tanto

causada la recombinación de los huecos y electrones

aparecerá una zona exenta de portadores de carga móviles (fig. 392). La corriente eléctrica no puede circular en

condiciones

normal a través de esta zona que se denomina capa barrea

y

cuyo espesor vale algunas milésimas de mm debido a la difusión entran portadores de carga negativa en la zona del cristal de tipo p y portadores positivos en la zona de tipo n. la tensión de difusión del germanio vale entre 0.2 v y 0.2 v y del silicio, entre 0.5 v y 0.8 v. 8.4.

Efecto de válvula de la unión pn

El diodo semiconductor es un componente formado básicamente por una unión pn (fig. 393). El experimento nos muestra que: un diodo semiconductor sólo deja pasar la corriente en un solo sentido. La unión pn presenta pues un efecto de válvula Cuando el polo positivo de la fuente esta aplicado a la zona p, y el polo negativo a la zona n del diodo semiconductor se encontrará este conectado en sentido de paso o directo. 9.

Polarización directa (VD>0V) Una condición de polarización directa

o de encendido se establece

aplicando el potencial positivo al material tipo p y el potencial negativo al material tipo n, se indica en la fig. 1.18. por lo tanto para referencias futuras: Un diodo semicoductor esta polarizado directamente cuando se ha restablecido la asociación entre tipo p y positivo, hacia como entre tipo n y negativo.

En ausencia de un voltaje de polarización aplicado el g flujo neto de carga de cualquier dirección para un diodo semiconductor es 0. La aplicación de un potencial de polarización directa V D "Presionara" a los electrones en el material tipo n y a los huecos en el material tipo p, para recombinar con iones cerca de la frontera y reducir la anchura de la región de agotamiento, como se muestra en la fig. 1.18. un electrón del material tipo n "VE" una barrera producida en la unión, debida a la reducción en la región de

agotamiento y una fuerte

atracción por el potencial positivo aplicado al material tipo p. 9.1.

Flujo de electrones libres

La corriente circula fácilmente en un circuito como el de al fig. 2-14. ¿Porqué? La causa es que la fuente obliga a los electrones libres ya los huecos a fluir hacia la a unión. Estos iones positivos atraen los electrones hacia el cristal desde el circuito externo. Por tanto, los electrones libres pueden abandonar el terminal negativo de la fuente y fluir hacia el extremo derecho del cristal. 9.2.

Flujo de electrones de valencia

¿Qué sucede con los electrones libres que desaparecen en la unión?. Se convierte en los electrones de valencia. Como tales se mueve a través de los huecos de la región p 10.

Condición de polarización inversa (VD