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INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA DEL MAR EXTENCÍON GUAYANA ELECTRICIDAD SEMESTRE III SECCIÓN “O”

ERICK LEDEZMA #14-0218 JUDITE DIAS #14-0205 STEWAR PINTO #14-0221 WINIFER BARCELÓ #14-0198 HECTOR GONZALEZ #14-0213

SAN FÉLIX, abril, 2015

ÍNDICE

Contenido

Pág.

INTRODUCCIÓN..............................................................................................................................................3 1.

BANDAS DE ENERGIA...........................................................................................................................4 1.1. 1.2.

2.

HUECOS Y ELECTRONES EN SEMICONDUCTORES....................................................................5 2.1. 2.2.

3.

LA BANDA DE VALENCIA (BV)...........................................................................................................4 LA BANDA DE CONDUCCIÓN (BC).....................................................................................................4

FLUJO DE HUECOS..............................................................................................................................5 FLUJO DE ELECTRONES LIBRES........................................................................................................6

IMPUREZAS.............................................................................................................................................6 3.1. 3.2. 3.3.

DOPAJE...............................................................................................................................................6 SEMICONDUCTOR TIPO N...................................................................................................................7 SEMICONDUCTOR TIPO P...................................................................................................................8

4.

EFECTO DE LA TEMPERATURA EN DIODOS SEMICONDUCTORES.......................................8

5.

POLARIZACION DIRECTA E INVERSA EN DIODOS SEMICONDUCTORES...........................9 5.1. 5.2.

POLARIZACIÓN DIRECTA...................................................................................................................9 POLARIZACIÓN INVERSA...................................................................................................................9

CONCLUSIÓN.................................................................................................................................................11 BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................................................................12

1. SÍMBOLOS ELÉCTRICOS

Cuando un átomo de silicio está aislado, la órbita de un electrón solo se ve afectada por las cargas del átomo aislado. Pero cuando los átomos de silícico están en un cristal, la carga de cada electrón también se ve influenciada por la carga de muchos otros átomos de silicio. Como cada electrón tiene una posición única dentro de la red cristalina, no hay dos electrones que posean exactamente el mismo patrón de cargas alrededor. Esta es la razón de que la orbita de cada electrón sea diferente, o dicho de otra forma los niveles de energía de cada electrón son diferentes. Todos los electrones de la primera orbita tienen niveles de energía ligeramente diferentes porque no hay dos electrones que vean exactamente el mismo entorno de cargas. Como hay miles de millones de electrones en la primera orbita, estas ligeras diferencias de niveles de energía forman un grupo o banda de energía. De igual forma ocurre en la segunda orbita y así sucesivamente para el resto de las bandas.

1.1. La banda de valencia (BV) Está ocupada por los electrones de valencia de los átomos, es decir, aquellos electrones que se encuentran en la última capa o nivel energético de los átomos. Los electrones de valencia son los que forman los enlaces entre los átomos, pero no intervienen en la conducción eléctrica.

1.2. La banda de conducción (BC) Está ocupada por los electrones libres, es decir, aquellos que han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente. Estos electrones son los responsables de conducir la corriente eléctrica.

En consecuencia, para que un material sea buen conductor de la corriente eléctrica debe haber poca o ninguna separación entre la BC y la BV (que pueden a llegar a solaparse), de manera que los electrones puedan saltar entre las bandas. Cuando la separación entre bandas sea mayor, el material se comportará como un aislante. En ocasiones, la separación entre bandas permite el salto entre las mismas de solo algunos electrones. En estos casos, el material se comportará como un semiconductor. Para que el salto de electrones entre bandas en este caso se produzca deben darse alguna o varias de las siguientes situaciones: que el 3

material se encuentre a altas presiones, a una temperatura elevada o se le añadan impurezas (que aportan más electrones). Entre la banda de valencia y la de conducción existe una zona denominada banda prohibida o gap, que separa ambas bandas y en la cual no pueden encontrarse los electrones.

2. HUECOS Y ELECTRONES EN SEMICONDUCTORES

La temperatura ambiente es la temperatura del aire circundante. Cuando dicha temperatura es mayor que el cero absoluto (-273 °C), la energía térmica del aire circundante hace que los átomos en un cristal de cilicio vibren dentro del cristal. Cuanto mayor sea la temperatura, más intensas serán las vibraciones mecánicas de estos átomos. Si se toca un objeto, el calor que transmite proviene de la vibración de los átomos. Las vibraciones de los tomos de silicio pueden, ocasionalmente, hacer que se desliguen un electrón del orbital de valencia. Cuando esto sucede, el electrón liberado gana energía suficiente para en un orbital de nivel energético mayor. En dicho orbital, el electrón es un electrón libre. Pero eso no es todo. La salida del electrón deja un vacío que se denomina hueco en el orbital de valencia, cuando esto ocurre cruza la banda prohibida y entra en la banda de conducción y podrá producir corriente y se comporta como una carga positiva porque la pérdida de un electrón produce un ion positivo.

2.1. Flujo de huecos La Figura 1 muestra parte de un cristal de silicio encontrado entre dos placas metálicas cargadas. Suponiendo que la energía térmica ha producido un electrón libre y un hueco. El electrón libre se encuentra en un orbital de mayor energía en el extremo derecho del cristal. Debido a que el electrón está cerca de la placa cargada negativamente, es repelido por esta, de forma que se desplaza a la izquierda de un átomo a otro hasta alcanzar la placa positiva.

2.2. Flujo de electrones libres

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Obsérvese el hueco de la izquierda de la Figura 1. Este hueco atrae al electrón de valencia del punto A, lo que provoca que dicho electrón se desplace hacia el hueco. Cuando el electrón de valencia en el punto A se mueve a la izquierda, crea un nuevo hueco en este punto, el efecto es el mismo que si el hueco original se desplazara a 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 moverse a lo largo de la trayectoria indicada por las flechas. Esto quiere decir que el hueco lo hace en dirección opuesta a la trayectoria A-B-C-D-E-F, actuando de la misma forma que una carga positiva.

3. IMPUREZAS

3.1. Dopaje Una forma de aumentar la conductividad de un semiconductor es mediante el dopaje. El dopaje supone que deliberadamente se añaden átomos de impureza al cristal intrínseco para aumentar su conductividad eléctrica. Un semiconductor dopado se llama semiconductor extrínseco. Un sólido peculiar y muy útil sería aquél en que pudiéramos modificar la conductividad eléctrica a voluntad. De lo que hemos dicho, una manera de lograr esto sería cambiando el ancho de la brecha prohibida, o al menos logrando que haya algunos estados permitidos dentro de ella. Pensemos otra vez en el silicio, con sus cuatro electrones de valencia; de la red, cambiemos un átomo de silicio por otro de arsénico, que tiene cinco electrones en su capa más externa. De estos, cuatro van a intervenir en el enlace covalente con los átomos de silicio vecinos, pero el quinto electrón queda libre y puede ser itinerante en cuanto se le suministre un poco de energía. Este electrón puede transportar carga, con la consecuente modificación en la conductividad eléctrica. Otra posibilidad es, claro, cambiar un átomo de silicio por otro con sólo tres electrones de valencia. Entonces el nuevo átomo roba un electrón a alguno de sus vecinos, generando un hueco. Si este hueco se propaga, también lo hace una carga eléctrica positiva: modificando la conductividad. Agregando impurezas de manera controlada podemos generar materiales con diversas propiedades. Jugando con semiconductores impuros, como los descritos antes, fue como los físicos desarrollaron el transistor, que tanto ha influido en la vida del hombre contemporáneo. Si al semiconductor de silicio con arsénico le llamamos de tipo n, porque la conducción tiene lugar con una carga negativa, al otro le llamaremos de tipo p, ya que 5

ahora se conduce carga moviendo un agujero, que implica falta de carga negativa o sea carga positiva. Un transistor consta de tres capas de semiconductores de uno y otro tipo. Por ejemplo, se tiene el transistor n-p-n, que consiste en una película muy delgada de semiconductor tipo p, emparedada entre dos capas de semiconductor tipo n. A la región central se le liaba base y a las capas exteriores se les denomina colector y emisor, respectivamente. Cuando el transistor opera, la base y el colector se conectan a la terminal negativa. Esto genera un flujo grande de electrones del emisor hacia la base, que por ser muy delgada no puede impedir el paso de todos los electrones, que entonces se difunden al colector dando lugar a una corriente a la salida de éste.

3.2. Semiconductor tipo n Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios". Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco. Los electrones libres de la Figura 2. circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batería. El número de electrones libres se llama n (electrones libres/m3).

F igura 2. El conductor tipo n tiene muchos electrones libres

3.3. Semiconductor tipo p

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Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios. Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo. En el circuito de la figura 3. 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. Hay tantos huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de generación térmica (muy pocos). El número de huecos se llama p (huecos/m3). Figura 3. El conductor tipo p tiene muchos huecos.

4. EFECTO DE LA TEMPERATURA EN DIODOS SEMICONDUCTORES

La temperatura tiene un papel importante en la determinación de las características operacionales de los diodos. Conforme aumenta la temperatura, disminuye la tensión de encendido VY. Por otra parte, un descenso en la temperatura provoca un incremento en VY. La temperatura de unión es la temperatura dentro del diodo, exactamente en la unión pn. La temperatura ambiente es diferente, es la temperatura del aire fuera del diodo. Cuando el diodo está conduciendo, la temperatura de la unión es más alta que la temperatura ambiente a causa del calor creado en la recombinación. La barrera de potencial depende de la temperatura de la unión, Un incremento en la temperatura de la unión crea más electrones libres y huecos en las regiones dopadas. Como estas cargas se difunden en la zona de deplexión, esta se estrecha, lo que significa que hay menos barrera de potencial a temperaturas altas de la unión.

5. POLARIZACION DIRECTA E INVERSA EN DIODOS SEMICONDUCTORES 7

5.1. Polarización directa En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad. Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que: 

El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.



El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.



Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.



Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.

De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.

5.2. Polarización inversa En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación: 

El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de 8

valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos. 

El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.



Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.

En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable.

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CONCLUSIÓN

Los materiales semiconductores representan un gran avance tecnológico, la implementación de estos y la comprensión de sus características ha permitido desarrollar nuevas tecnología así como también disminuir el tamaño de los artefactos electrónicos ya existentes. En todo instante se ha aprendido que lo que ocurre dentro de un cristal de silicio que es usado como semiconductor es que; Se crean electrones libres y huecos por acción de la energía térmica. Otros electrones libres y huecos se recombinan. Algunos electrones libres existen temporalmente esperando una recombinación. Durante el desarrollo de este tema se puede concluir que; Por sí mismo un cristal semiconductor tipo n tiene la misma utilidad que una resistencia de carbón, lo que también se puede decir de un semiconductor tipo p. Pero ocurre algo interesante cuando se dopa un cristal de manera que una mitad sea de tipo n y la otra de tipo p, debido a que la frontera física de un semiconductor tipo n y otro tipo p a la que se denomina unión pn, tiene propiedades tan útiles que ha propiciado toda clase de inventos entre los cuales se encuentran los diodos, los transistores y los circuitos integrados, comprender la unión pn permite entender toda clase de dispositivos fabricados con semiconductores.

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BIBLIOGRAFÍA



http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/intrin.html

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http://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_de_bandas



Principios de electrónica 6° edición – Albert Paul Malvino.



http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/03/htm/sec_32.h tml



http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo

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