Dispositivo SemiconductorLos dispositivos semiconductores son componentes electrnicos que explotan las propiedades electrnicas de los materiales semiconductores, principalmente de silicio, germanio, arseniuro de galio, y as como semiconductores orgnicos. Los dispositivos semiconductores han reemplazado dispositivos termoinicos en la mayora de las aplicaciones. Ellos usan la conduccin electrnica en el estado slido en contraposicin al estado gaseoso o emisin termoinica en un alto vaco.Dispositivos semiconductores se fabrican ambos dispositivos como individuales discretos y circuitos integrados, ya que se componen de un nmero-de unos pocos miles de millones de dispositivos fabricados e interconectados en un nico sustrato semiconductor, u oblea.Los materiales semiconductores son tan tiles debido a que su comportamiento puede ser manipulado fcilmente por la adicin de impurezas, conocido como el dopaje. Semiconductor conductividad puede ser controlado por la introduccin de un campo elctrico o magntico, por la exposicin a la luz o el calor, o por la deformacin mecnica de una rejilla monocristalino dopado, por lo que, los semiconductores pueden hacer excelentes sensores. Conduccin de la corriente en un semiconductor se produce a travs de electrones "libres" y agujeros, conocidos colectivamente como portadores de carga mvil o. Dopaje un semiconductor tal como silicio con una pequea cantidad de tomos de impurezas, tales como fsforo o boro, aumenta en gran medida el nmero de electrones libres o agujeros dentro de los semiconductores. Cuando un semiconductor dopado contiene huecos en exceso que se llama "tipo p", y cuando contiene electrones libres en exceso que se conoce como "de tipo n", donde p o n es el signo de la carga de los portadores de carga mayoritarios. El material semiconductor que se utiliza en los dispositivos se dopa en condiciones muy controladas en una planta de fabricacin, o fabuloso, para controlar con precisin la ubicacin y concentracin de p-y dopantes de tipo n. Las uniones que forman donde tipo-n y semiconductores de tipo p se unen se denominan uniones pn.DiodoEl diodo es un dispositivo hecho a partir de una sola unin pn. En el cruce de una de tipo p y un semiconductor de tipo n se forma una regin llamada la zona de agotamiento o de la regin que bloquea la conduccin de corriente de la regin de tipo n a la regin de tipo p, pero actual permite llevar a cabo a partir de la p- tipo de regin a la regin de tipo n. Por lo tanto, cuando el dispositivo est polarizado, con el lado p en mayor potencial elctrico, el diodo conduce la corriente fcilmente, pero la corriente es muy pequea cuando el diodo est polarizado inverso.La exposicin de un semiconductor de luz puede generar pares electrn-hueco, lo que aumenta el nmero de portadores libres y su conductividad. Diodos optimizado para tomar ventaja de este fenmeno se conoce como fotodiodos. Diodos semiconductores compuestos tambin se pueden utilizar para generar luz, como en diodos emisores de luz y diodos lser.TransistorTransistores de unin bipolar se forman a partir de dos uniones pn, en cualquier configuracin pnp o npn. El medio, o base, la regin entre las uniones es tpicamente muy estrecha. Las otras regiones, y sus terminales asociados, son conocidos como el emisor y el colector. Una pequea corriente inyectada a travs de la unin entre la base y el emisor cambia las propiedades de la unin base-colector para que pueda conducir la corriente a pesar de que se polariza inversamente. Esto crea una corriente mucho ms grande entre el colector y el emisor, controlada por la corriente de base-emisor.Otro tipo de transistor, el transistor de efecto de campo, opera sobre el principio de que la conductividad de semiconductor puede ser aumentada o disminuida por la presencia de un campo elctrico. Un campo elctrico puede aumentar el nmero de electrones y huecos en un semiconductor libres, cambiando de esta manera su conductividad. El campo puede ser aplicada por una unin pn de polarizacin inversa, formando una unin-transistor de efecto de campo o por un electrodo aislado de la masa del material por una capa de xido, formando un metal-xido-semiconductor de efecto de campo transistor.El MOSFET, un IC, es el dispositivo semiconductor ms utilizado en la actualidad. El electrodo de puerta se carga para producir un campo elctrico que controla la conductividad de un "canal" entre dos terminales, llama la fuente y el drenaje. Dependiendo del tipo de soporte en el canal, el dispositivo puede ser un N-canal o un MOSFET de canal p. Aunque el MOSFET se llama as en parte por su puerta "metal", en los dispositivos modernos de polisilicio se suele utilizar en su lugar.Materiales de dispositivos semiconductoresPor el momento, el silicio es el material ms ampliamente utilizado en los dispositivos semiconductores. Su combinacin de bajo coste de materias primas, procesamiento relativamente simple, y un intervalo de temperatura til que sea actualmente el mejor compromiso entre los diversos materiales competidores. Silicio utilizado en la fabricacin de dispositivos semiconductores se fabrica actualmente en rollizos que son lo suficientemente grandes en dimetro para permitir la produccin de obleas de 300 mm.Germanio era un material semiconductor principios ampliamente utilizado pero su sensibilidad trmica hace que sea menos til que el silicio. Hoy en da, el germanio es a menudo aleado con silicio para su uso en dispositivos de SiGe de muy alta velocidad, IBM es el mayor productor de este tipo de dispositivos.Arseniuro de galio tambin es ampliamente utilizado en dispositivos de alta velocidad, pero hasta ahora, ha sido difcil para formar rollizos de gran dimetro de este material, lo que limita el dimetro de la oblea de tamaos significativamente ms pequeas que las obleas de silicio por lo tanto haciendo la produccin en masa de dispositivos de GaAs significativamente ms caro que el silicio.Otros materiales menos comunes tambin estn en uso o bajo investigacin.El carburo de silicio se ha encontrado alguna aplicacin como materia prima para el azul diodos emisores de luz y est siendo investigado para su uso en dispositivos semiconductores que podran soportar muy altas temperaturas de funcionamiento y entornos con la presencia de niveles significativos de la radiacin ionizante. Diodos IMPATT tambin se han fabricado a partir de carburo de silicio.Varios compuestos de indio tambin se estn utilizando en los LED y los diodos lser de estado slido. El sulfuro de selenio se est estudiando en la fabricacin de clulas solares fotovoltaicas.El uso ms comn de los semiconductores orgnicos es diodos emisores de luz orgnicos.Lista de dispositivos semiconductores comunesDispositivos de dos terminales: DIAC Diodo Diodo Gunn IMPATT diodo Diodo lser Diodo emisor de luz Clula fotoelctrica Diodo PIN Schottky diodo Clula solar Diodo tnel VCSEL VECSEL Diodo Zener Dispositivos de tres terminales: Bipolar transistor Transistor Darlington Efecto de campo transistor Transistor IGBT Silicio rectificador controlado Tiristor TRIAC Unijunction transistor Cuatro dispositivos terminales: Sensor de efecto Hall Dispositivos multi-terminal: Circuito integrado Dispositivo de carga acoplada Microprocesador Memoria de acceso aleatorio Memoria de slo lectura Aplicaciones de dispositivos semiconductoresTodos los tipos de transistores se pueden utilizar como bloques de construccin de puertas lgicas, que son fundamentales en el diseo de circuitos digitales. En los circuitos digitales, como microprocesadores, transistores actan como interruptores de encendido y apagado; en el MOSFET, por ejemplo, la tensin aplicada a la puerta determina si el interruptor est encendido o apagado.Transistores utilizados para los circuitos analgicos no actan como interruptores de encendido y apagado, sino que responden a un rango continuo de entradas con un rango continuo de salidas. Circuitos analgicos comunes incluyen amplificadores y osciladores.Circuitos que interface o traducir entre los circuitos digitales y circuitos analgicos son conocidos como circuitos de seal mixta.Dispositivos semiconductores de potencia son dispositivos discretos o circuitos integrados destinados a aplicaciones de alta tensin de corriente o alta. Circuitos integrados de potencia se combinan la tecnologa IC con la tecnologa de semiconductores de potencia, stos se refieren a veces como los dispositivos de energa "inteligentes". Varias empresas se especializan en la fabricacin de semiconductores de potencia.Identificadores de componentes Los designadores de tipo de dispositivos semiconductores suelen ser especficos del fabricante. Sin embargo, ha habido intentos de creacin de normas para los cdigos de tipo, y un subconjunto de los dispositivos de seguimiento. Para dispositivos discretos, por ejemplo, hay tres normas JEDEC: JESD370B en Estados Unidos, Pro Electron en Europa y en los Estndares Industriales Japoneses en Japn.Historia del desarrollo de dispositivos semiconductoresMs informacin: Historia de la ingeniera elctricaDetector de Gato bigote Semiconductores haban sido utilizados en el campo de la electrnica durante algn tiempo antes de la invencin del transistor. Alrededor de la vuelta del siglo 20 que eran bastante comn como detectores en las radios, que se utiliza en un dispositivo llamado "bigotes de gato" una. Estos detectores fueron algo problemtico, sin embargo, que requiere que el operador mueva un pequeo filamento de tungsteno alrededor de la superficie de un cristal de galena o carburo de silicio hasta que de repente comenz a trabajar. Entonces, durante un perodo de unas pocas horas o das, el bigote de gato sera lentamente dejar de trabajar y el proceso tendra que repetirse. En el momento de su operacin era completamente misterioso. Despus de la introduccin de las radios basados en tubos de vaco ms fiables y amplificada, sistemas de bigotes de gato desaparecieron rpidamente. "Bigotes de gato" El es un ejemplo primitivo de un tipo especial de diodo sigue siendo popular hoy en da, se llama un diodo Schottky.Metal rectificador Otro tipo de dispositivo semiconductor temprana es el rectificador de metal en la que el semiconductor es xido de cobre o selenio. Westinghouse Electric fue uno de los principales fabricantes de estos rectificadores.Segunda Guerra Mundial Durante la Segunda Guerra Mundial, la investigacin radar empuj rpidamente receptores de radar para operar a frecuencias cada vez ms altas y los receptores de radio basados en tubos tradicionales ya no funcionaba bien. La introduccin de la cavidad magnetrn de Gran Bretaa a los Estados Unidos en 1940 durante la Misin Tizard dio lugar a una necesidad apremiante de un amplificador de alta frecuencia de prctica.En un capricho, Russell Ohl de los Laboratorios Bell decidi probar bigotes de un gato. En este punto no haban estado en uso durante varios aos, y nadie en el laboratorio tena una. Despus de cazar uno abajo en una tienda de radio utilizada en Manhattan, se encontr que funcionaba mucho mejor que los sistemas basados en tubos.Ohl investig qu bigotes del gato funcion tan bien. Pas la mayor parte de 1939 tratando de crecer versiones ms puras de los cristales. Pronto se descubri que los cristales de mayor calidad su comportamiento fastidioso fue, pero lo hizo a su capacidad para funcionar como un detector de radio. Un da se encontr con uno de sus cristales ms puros, sin embargo funcionaba bien, y curiosamente, tena una grieta visible cerca de la mitad. Sin embargo, mientras se mova por la habitacin tratando de probarlo, el detector misteriosamente iba a funcionar, y luego se detiene de nuevo. Despus de un estudio que encontr que la conducta estaba controlada por la luz en la habitacin, ms luz causado ms conductancia en el cristal. Invit a otras personas para ver este cristal, y Walter Brattain inmediatamente se dio cuenta de que haba algn tipo de cruce en la grieta.La investigacin adicional se aclar el misterio restante. El cristal se haba roto por uno y otro lado contena ligeramente diferentes cantidades de impurezas Ohl no poda quitar-alrededor de 0,2%. Un lado del cristal tena impurezas que agregan electrones extra y lo convirtieron en un "conductor". El otro tena impurezas que queran unirse a estos electrones, por lo que es un "aislador". Debido a que las dos partes del cristal estaban en contacto uno con el otro, los electrones podran ser empujados hacia fuera de la parte conductora que tena electrones adicionales y reemplazadas por otras nuevas que se prestan en el que fluiran en la porcin aislante y ser recogido por el filamento bigote . Sin embargo, cuando la tensin se invirti los electrones que se introduce en el colector se agotar pronto los "agujeros", y la conduccin dejaran casi al instante. Esta unin de los dos cristales creado un diodo de estado slido, y el concepto pronto se hizo conocido como semiconduccin. El mecanismo de accin cuando el diodo est apagado tiene que ver con la separacin de portadores de carga alrededor de la unin. Esto se llama una "regin de agotamiento".Desarrollo del diodo Armados con el conocimiento de cmo funcionaban estos nuevos diodos, un vigoroso esfuerzo comenz a aprender a construirlas bajo demanda. Los equipos de la Universidad de Purdue, Bell Labs, el MIT y la Universidad de Chicago se unieron sus fuerzas para construir mejores cristales. Dentro de un ao de produccin de germanio se ha perfeccionado hasta el punto donde se utilizaban diodos de grado militar en la mayora de equipos de radar.Desarrollo del transistor Despus de la guerra, William Shockley decidi intentar la construccin de un dispositivo semiconductor triodo-like. Asegur la financiacin y espacio de laboratorio, y se fue a trabajar en el problema con Brattain y John Bardeen.La clave para el desarrollo del transistor fue el an ms la comprensin del proceso de la movilidad de los electrones en un semiconductor. Se dio cuenta de que si haba alguna manera para controlar el flujo de los electrones desde el emisor al colector de este diodo recin descubierto, un amplificador podra ser construido. Por ejemplo, si los contactos se colocan a ambos lados de un solo tipo de cristal, la corriente no fluir entre ellos a travs del cristal. Sin embargo, si un tercer contacto podra entonces "inyectar" electrones o agujeros en el material, la corriente fluira.En realidad hacer esto pareca ser muy difcil. Si el cristal eran de cualquier tamao razonable, el nmero de electrones requeridos para ser inyectado tendra que ser muy grande, lo que es menos que til como un amplificador, ya que requerira una gran corriente de inyeccin para empezar. Dicho esto, la idea del diodo de cristal era que el propio cristal podra proporcionar los electrones a travs de una distancia muy pequea, la regin de agotamiento. La clave parece ser para colocar la entrada y contactos de salida muy cerca juntos en la superficie del cristal a ambos lados de esta regin.Brattain comenz a trabajar en la construccin de tal dispositivo, y tentadoras pistas de amplificacin continu apareciendo como el equipo trabaj en el problema. A veces, el sistema funcionara, pero luego dejan de funcionar inesperadamente. En un ejemplo, un sistema que no funcione comenz a trabajar cuando se coloca en agua. Ohl y Brattain finalmente desarrollaron una nueva rama de la mecnica cuntica, que se conoca como fsica de superficies, para dar cuenta de la conducta. Los electrones en cualquier una sola pieza del cristal se acerca migrar debido a las cargas cercanas. Los electrones en los emisores o los "agujeros" en los colectores, se agruparan en la superficie del cristal donde podran encontrar su carga opuesta "flotando" en el aire. Sin embargo, podran ser empujadas lejos de la superficie con la aplicacin de una pequea cantidad de carga desde cualquier otra ubicacin en el cristal. En lugar de tener una gran cantidad de electrones inyectados, un nmero muy pequeo en el lugar correcto en el cristal podra lograr lo mismo.Su comprensin resolvi el problema de la necesidad de una muy pequea rea de control a un cierto grado. En lugar de tener dos semiconductores separados conectados por un comn, pero pequea, regin, una superficie mayor servira. Los cables de emisores de electrones y la recoleccin de ambos seran colocados muy juntos en la parte superior, con el cable de control colocado en la base del cristal. Cuando la corriente de fluido a travs de este cable "de base", los electrones o agujeros seran empujados hacia fuera, a travs del bloque de semiconductores, y se acumulan en la superficie de la medida. Siempre y cuando el emisor y el colector estaban muy cerca juntos, esto debera permitir suficientes electrones o huecos entre ellos para permitir la conduccin al inicio.El primer transistor El equipo de Bell hizo muchos intentos de construir un sistema con varias herramientas, pero en general no. Configuraciones de que los contactos eran lo suficientemente cerca eran invariablemente tan frgil como detectores de bigotes de los gatos originales haban sido, y trabajaran brevemente, en todo caso. Con el tiempo tuvieron un avance prctico. Un pedazo de lmina de oro estaba pegada al borde de una cua de plstico, y luego la lmina se cort con una navaja de afeitar en la punta del tringulo. El resultado fue dos contactos muy estrechamente espaciadas de oro. Cuando la cua se empuja hacia abajo sobre la superficie de un cristal y el voltaje aplicado al otro lado, la corriente comenz a fluir de un contacto a la otra como la tensin de base empuja los electrones fuera de la base hacia el otro lado cerca de los contactos. El transistor de contacto se haba inventado.Mientras el dispositivo se construy una semana antes, las notas de Brattain describe la primera demostracin de los de arriba en los Laboratorios Bell en la tarde del 23 de diciembre de 1947, dado a menudo como la fecha de nacimiento del transistor. lo que ahora se conoce como el "pnp punto de contacto de germanio del transistor" funciona como un amplificador de voz con una ganancia de potencia de 18 aos en ese juicio. John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley fueron galardonados con el Premio Nobel 1956 de Fsica por su trabajo.Origen del trmino "transistor" Laboratorios Bell necesitaba un nombre genrico para su nuevo invento: "Triodo Semiconductor", "Triodo Solid", "Estados Triodo Surface", "Triodo de cristal" y "Iotatron" fueron todos considerados, pero "transistor", acuado por John R. Pierce, gan una votacin interna. La justificacin para el nombre se describe en el siguiente extracto de Memorandos tcnicos de la compaa pidiendo votos:Transistor. Esta es una combinacin abreviada de las palabras "transconductancia" o "transferencia", y "varistor". El dispositivo pertenece lgicamente en la familia de varistor, y tiene la transconductancia o impedancia de transferencia de un dispositivo que tiene ganancia, por lo que esta combinacin es descriptivo.Las mejoras en el diseo de transistores Shockley estaba molesto por el dispositivo que se est acreditado a Brattain y Bardeen, que sinti que haba construido "a sus espaldas" tomar la gloria. Las cosas se empeoran cuando Bell Labs abogados encontraron que algunos de los escritos de Shockley del transistor eran lo suficientemente similares a los de una patente anterior 1925 por Julius Edgar Lilienfeld que pensaban que lo mejor es que su nombre quedar fuera de la solicitud de patente.Shockley se enfureci y decidi demostrar quin era el verdadero cerebro de la operacin. Unos meses ms tarde se invent una nueva, mucho ms robusta, tipo de transistor con una capa o estructura 'sandwich'. Esta estructura pas a ser utilizado para la gran mayora de todos los transistores en la dcada de 1960, y se convirti en el transistor de unin bipolar.Con los problemas resueltos por fragilidad, un problema restante era pureza. Haciendo germanio de la pureza requerida fue demostrando ser un problema grave, y limita el rendimiento de los transistores que funcionaba a partir de un lote dado de material. La sensibilidad de germanio de temperatura tambin limita su utilidad. Los cientficos teorizaron que el silicio sera ms fcil de fabricar, pero pocos investigaron esta posibilidad. Gordon K. Teal fue el primero en desarrollar un transistor de silicio de trabajo, y su compaa, las nacientes Texas Instruments, aprovech de su ventaja tecnolgica. Desde finales de la dcada de 1960 la mayora de los transistores se basan silicio. En pocos aos los productos a base de transistores, ms notablemente fcilmente radios porttiles, fueron apareciendo en el mercado.Una mejora importante en el rendimiento de fabricacin se produjo cuando un qumico aconsej a las empresas que fabrican semiconductores a utilizar destilado en lugar de agua del grifo: iones de calcio presentes en el agua del grifo no son la causa de los bajos rendimientos. "Zona de fusin", una tcnica que utiliza una banda de material fundido en movimiento a travs del cristal, aumentado an ms la pureza del cristal.