clase diodos semiconductores
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Diodos SemiconductoresTRANSCRIPT
UNIDAD I : DIODOS
SEMICONDUCTORES
CONDUCTORES
Un conductor es un material que, en mayor o menor medida, conduce el calor
y la electricidad.
Son buenos conductores los metales y aislante el vidrio, la madera, la lana y el
aire.
.
El conductor mas común es
el cobre.
Este material tiene valencia
1, o sea posee un electrón libre en su órbita exterior.
Estructura atómica del cobre
Se define la unidad de
carga +1 como +1,6·10-19
(C). Así un electrón tiene
una carga -1 equivalente
a -1,6·10-19 (C).
1ra órbita (n= 1) caben 2·12 = 2 electrones
2da órbita (n= 2) caben 2·22 = 8 electrones
3ra órbita (n= 3) caben 2·32 = 18 electrones
En las tres primera orbitas se tiene 28 electrones, o sea con una carga de -28
4ta órbita (n= 4) caben 2·42 = 32 electrones, pero posee sólo un 1 electrón.
4 3 2 1
En cada órbita caben 2n2 electrones , con n = 1,2,3….
El cobre tiene un número
atómico de 29 (NA = 29).
Esto significa que en el
núcleo hay 29 protones, o
sea el núcleo tiene una carga +29. Girando alrededor del núcleo
hay 29 electrones girando en
diferentes órbitas.
En electrónica es importante estudiar la órbita de valencia. Por esto se
separará la estructura atómica entre órbita de valencia y una parte
interna (núcleo y las órbitas internas).
En el átomo de cobre la parte interna
esta conformada por: el núcleo (+29) y
las tres primeras órbitas (-28), con lo que
nos queda la parte interna con una carga
neta de +1.
Como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte interna, una
fuerza externa puede liberarlo fácilmente, por eso es un buen Conductor. Nos
referiremos a ese electrón de valencia, como un electrón libre.
Lo que define a un buen conductor es el hecho de tener un solo electrón en la
órbita de valencia (valencia 1).
SEMICONDUCTORES
Son elementos que a temperaturas bajas son aislantes. Pero a medida que se la
temperatura se eleva o bien por la adición de determinadas impurezas resulta
posible su conducción.
Su importancia en electrónica es inmensa en la fabricación de transistores,
circuitos integrados, microprocesadores, computadores, etc
Los semiconductores que se analizarán son Germanio y Silicio, estos tiene 4
electrones de valencia.
Un átomo de Silicio aislado tiene:
14 protones ,10 electrones en los primeros orbitales y 4 electrones en la
orbita de valencia.
Es decir su parte interna con carga +4 y 4 electrones de valencia.
CRISTALES DE SILICIO
Para formar un sólido, los átomos de Silicio se combinan formando una estructura
ordenada llamada Cristal.
Las uniones entre átomos que comparten electrones adyacentes, se llaman
Enlaces Covalentes, estos enlaces crean un equilibrio de fuerzas que mantiene
unidos los átomos de Silicio.
Cristal de Silicio
Cada átomo de silicio comparte sus 4
electrones de valencia con los
átomos vecinos, de tal forma que
tiene 8 electrones en la órbita de
valencia.
La fuerza del enlace covalente es tan
grande porque son 8 los electrones
que quedan (aunque sean
compartidos) con cada átomo, gracias
a esta característica los enlaces
covalentes son de una gran solidez.
Se conocen como electrones ligados
Debido a los electrones ligados un cristal de silicio a temperatura ambiente
(25°C aproximadamente) es casi un aislante perfecto.
La temperatura ambiente es la temperatura del aire circundante. Si esta
temperatura es mayor que el cero absoluto (-273°C) la energía térmica del aire
provoca que los átomos dentro del cristal de Silicio vibren.
Mayor Temperatura ==> Más Electrones Libres
A veces las vibraciones provocan que se
desligue un electrón del orbital de valencia.
Este obtiene energía suficiente para
situarse en un orbital de mayor nivel
energético, pasando a ser un electrón
libre.
La salida del electrón deja un vacío en el
orbital de valencia que se comporta como
una carga positiva, llamándose hueco.
En un cristal de Silicio, debido a la energía térmica se crean igual número de
electrones libres y de huecos, dicho electrones se mueven al azar dentro del cristal.
En ocasiones un electrón libre será atraído por un hueco y caerá hacia a él, esta
unión de un electrón libre y un hueco se llama recombinación.
El tiempo entre la creación y desaparición de un electrón libre se denomina tiempo
de vida.
En resumen, en todo instante dentro de un cristal en todo momento ocurre
esto:
• Por la energía térmica se están creando electrones libres y huecos.
• Se recombinan otros electrones libres y huecos.
• Quedan algunos electrones libres y huecos en un estado intermedio, en el
que han sido creados y todavía no se han recombinado.
SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
Corresponde aquellos que se encuentran en estado puro. A temperatura
ambiente se comporta más o menos como un aislante ya que sólo tiene unos
pocos electrones libre y huecos.
Este tipo de semiconductor tiene la misma cantidad de electrones libres que
de huecos.
Si aplica una voltaje se forzará a los
electrones libres a circular hacia la
derecha (del terminal negativo de la pila al
positivo) y a los huecos hacia la izquierda.
La corriente en un semiconductor se
considerará como un flujo combinado de
electrones libres y huecos ,que se mueven
en direcciones opuestas.
Los electrones libres y huecos reciben el nombre de portadores ya que
transportan la carga eléctrica de un lugar otro.
SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
Son los semiconductores que están dopados, es cuando se añaden átomos de
impurezas en él. Para modificar su conductividad eléctrica.
Hay dos tipos dependiendo de que tipo de impurezas que posean:
semiconductores tipo n y semiconductores tipo p
Semiconductor Tipo n : Dopados con exceso de electrones libres, debido a
esto los electrones libres son los portadores mayoritarios y los huecos son los
portadores 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.
Los electrones libres de la figura circulan
hacia el extremo izquierdo del cristal,
donde entran al conductor y fluyen hacia
el positivo de la batería
Semiconductor Tipo p : Dopados con exceso de huecos, debido a esto los
electrones libres son los portadores minoritarios y los huecos son los
portadores mayoritarios.
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 la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del
cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo.
En el circuito 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.
DIODO NO POLARIZADO
Barrera de potencial
Si un cristal se dopa de tal forma que una mitad sea tipo n y la otra mitad de
tipo p, esa unión pn tiene unas propiedades muy útiles y entre otras cosas
forman los "Diodos".
El átomo en un cristal de silicio (Si) con signo "-" encerrado en un
circulo y con un punto sin rellenar al lado, simbolizaría un hueco.
El átomo en un cristal de silicio (Si) que produce un electrón libre y se
puede representar como un signo "+" encerrado en un circulo y con un
punto relleno (que sería el electrón) al lado.
La representación de un semiconductor tipo n
Electrones libres: Portadores Mayoritarios
Huecos: Portadores Minoritarios
La representación de un semiconductor tipo p
Electrones libres: Portadores Minoritarios
Huecos: Portadores Mayoritarios
La unión de las regiones p y n será:
Juntando las regiones tipo p y tipo n se crea un "Diodo de unión" o "Unión pn".
Cuando un electrón se difunde a través de la unión crea un par de iones, en
el lado n con carga positiva y en el p con carga negativa
Las parejas de iones positivo y negativo se llaman Dipolos, al aumentar los
dipolos la región cerca de la unión se vacía de portadores y se crea la
llamada "Zona de deplexión".
BARRERA DE POTENCIAL
Los dipolos tienen un campo eléctrico entre los iones positivo y negativo, y
al entrar los electrones libres en la zona de deplexión, el campo eléctrico
trata de devolverlos a la zona n.
La intensidad del campo eléctrico aumenta con cada electrón que cruza
hasta llegar al equilibrio.
El campo eléctrico acabará por detener la difusión de electrones a través de
la unión.
E
El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de
potencial o voltaje llamada "Barrera de Potencial" que a 25 ºC vale:
0,3 V para diodos de Ge.
0,7 V para diodos de Si.
Se debe tener en cuenta:
Polarizar: Aplicar un voltaje, por ejemplo: conectar una pila.
No polarizado: No aplicar un voltaje, por ejemplo: Un circuito abierto
z.c.e.: Zona de carga espacial o zona de deplexión (W).
POLARIZACION DIRECTA
Es cuando 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.
Aplicando un voltaje V mayor que la barrera de potencial W, provoca que
los electrones libres y huecos fluyan hacia la unión. Apareciendo una
corriente muy grande.
V > W
I >>
Los electrones libres abandonan el terminal negativo de la fuente entran
en el extremo derecho del cristal. Viajan por la región n hasta que
alcanzan la unión.
En un cristal de Silicio tenemos una tensión V mayor que W = 0,7 V, los
electrón libres tienen la suficiente energía para atravesar la zona de
deplexión.
En la unión se recombina con un hueco y se convierte en electrón de
valencia desplazándose a través de la zona p. Tras abandonar el extremo
izquierdo del cristal fluye al terminal positivo de la fuente.
El sentido de la corriente lo tomaremos siempre contrario al del electrón.
POLARIZACION INVERSA
Es cuando se invierte la polaridad de la fuente de continua, el diodo se
polariza en inversa, el terminal negativo de la batería conectado al lado p y el
positivo al n.
La zona deplexión (z.c.e.) se ensancha, ya que el terminal negativo de la
batería atrae a los huecos y el terminal positivo atrae a los electrones libres.
El voltaje aplicado V es proporcional a la anchura de la zona de deplexión W.
A medida que los electrones libre y los huecos se alejan de la unión, los iones
recién creados hacen que aumente la diferencia de potencial a través de la
zona de deplexión.
La zona de deplexión deja de aumentar cuando su diferencia de potencial es
igual a la tensión inversa aplicada (V), entonces los electrones y huecos dejan
de alejarse de la unión.
Debido al aumento de la anchura de la zona deplexión la corriente que circula
es aproximadamente cero.
En polarización inversa circula una pequeña corriente por el circuito,
debido a que la energía térmica empuja a los electrones hacia la derecha y
el hueco a la izquierda del cristal.
Esto crea continuamente pares de electrones libres y huecos, estos se
recombinan en la zona de deplexión pueden vivir lo suficiente para cruzar la
unión.
Esta corriente se conoce como Corriente Inversa de Saturación (IS) que
depende de la temperatura.
Muchas veces, esta corriente es tan pequeña que pasa inadvertida
T° ↑ => IS ↑
También existe otra corriente, conocida como Corriente Superficial de
Fugas (If) causada por las impurezas del cristal y las imperfecciones en su
estructura interna.
Esta corriente depende del voltaje aplicado por la fuente (V ó VP).
V ↑ => If ↑
Entonces la corriente en inversa (I ó IR) será la suma de esas dos corrientes:
I = Is + If
I = Is + If
----→
I = Is + If
↑
----→
RUPTURA
Existen un límite máximo del voltaje aplicado en inversa con que se puede
polarizar un diodo sin correr el riesgo de destruirlo.
EFECTO AVALANCHA
Es cuando la tensión aplicada es muy grande provocando un aumento en la
zona de deplexión. Esto origina una corriente de ruptura muy grande que
destruirá al diodo
La corriente inversa es muy grande debido
que en este efecto se liberan
sucesivamente muchos electrones libres.
A medida que la tensión aplicada aumenta
los portadores minoritarios se mueven muy
rápido chocando con los átomos del cristal
golpeando a los electrones libres
liberándolos
La tensión de ruptura de un diodo depende de su nivel de dopaje. Con
diodos mas comunes (rectificadores), la tensión de ruptura suele ser
mayor de 50 V.
Generalmente los diodos no deben operar en la zona de ruptura,
excepción es el diodo Zener que poseen una zona deplexión muy
pequeña en donde están muy juntos los átomos de impurezas teniendo
así más carga en menos espacio.
BIBLIOGRAFÍA
Malvino A.
“Principios de Electrónica”,
Editorial Mc GRAW HILL, 6ta edición, ISBN: 8448125681 2000
Andrés Aranzabal Olea
“ELECTRÓNICA BÁSICA”
Curso de Electrónica Básica en Internet
http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/TEMA2.htm