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7/17/2019 Informe Fisica Moderna completo.pdf

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Semiconductores

Metales y semiconductores

La mayoría de los conductores sólidos de la electricidad pueden clasificarse o como metales o como

semiconductores.

La corriente constituye una manifestación del movimiento de carga por el interior de un material, por lo cual

será necesario examinar el origen y comportamiento de la carga capaz de moverse a fin de comprender el

proceso de conducción de un material.

Metales: La mayoría de los metales son buenos conductores de la electricidad, ello es debido a que contienen

concentraciones grandes de electrones libres o móviles. Los electrones son móviles en el sentido de que no

están vinculados a los átomos del metal, sino que pueden moverse libremente por el volumen de éste.

Corrientemente cada átomo de metal contribuye con uno o dos electrones (electrones de valencia). Los demás

electrones permanecen ligados con los núcleos particulares.

Semiconductores: Los electrones de valencia de los átomos de un semiconductor (tal como el silicio o el

germanio) no pueden, en su mayor parte, moverse libremente por el interior de semiconductor. En vez de ello,

participan en los enlaces covalentes que mantienen unidos los átomos del semiconductor constituyendo una

distribución cristalina periódica. Cada átomo de cristal tiene cuatro vecinos más próximos con los que

comparte sus electrones de valencia.

El núcleo como sabemos, es positivo y alrededor hay una serie de órbitas donde se encuentran los electrones.



El Silicio y el Germanio poseen 4 electrones en la órbita externa.

Si representamos lo anterior en forma bidimensional ( modelo bidimensional de enlace) tenemos la siguiente

figura:

De la figura se desprende:

1. Cada átomo esta rodeado de cuatro vecinos equidistantes.

2. Los electrones de valencia, en numero de cuatro por átomo, son compartidos por igual por los cuatro

vecinos más

próximos. Con lo cual, cada enlace entre un átomo y uno de sus vecinos más próximos contiene dos electrones.



Semiconductor Intrínseco

Cuando todos los electrones de valencia están constreñidos en enlaces covalentes, como en la figura anterior,

no será posible la conducción eléctrica por no haber portadores de carga que puedan moverse libremente,

como consecuencia un material que tenga esta configuración electrónica se comporta como aislador.

A temperatura superior a 0K algunos enlaces covalentes son incompletos. Los electrones que faltan ya no están

confinados a la región de enlace, sino que pueden moverse libremente, tal como puede verse en la figura

siguiente:

Si lo representamos por medio de un gráfico con bandas de energía tenemos que:

A 0K todos los electrones están a los niveles de energía más bajo, a temperatura ambiente, algún electrón tiene

ocasionalmente la suficiente energía para escapar de la banda de valencia y pasar a la de conducción.

Los pocos enlaces rotos que existen a temperatura ambiente se deben a la vibración térmica de los electrones

de valencia.

La fracción del número total de electrones de valencia que se desprende de los enlaces covalentes son

pequeños, por eso se lo considera un material semiconductor.

Como consecuencia de los enlaces covalentes rotos, existe dos grupos distintos e independientes de

portadores de carga.



Los electrones móviles que se originan cuando se escapa un electrón de la banda de valencia (carga negativa) y

el otro es el hueco que se origina en la banda de valencia (carga positiva).

Impurezas en los semiconductores

En el modelo visto anteriormente de semiconductor teníamos que las cantidades de huecos y electrones de

conducción están presentes en cantidades iguales. Cada uno de dichos portadores de carga es el resultado de

la rotura de un enlace covalente.

En un semiconductor los huecos y electrones no suelen estar en cantidades iguales; las concentraciones de

ambos se ven fuertemente afectadas por la presencia de impurezas que se agregan intencionalmente durante

la fabricación.

Estas impurezas o contaminantes son de las dos clases siguientes:

Semiconductores Extrínsecos

Impurezas Donantes: son elementos que tienen 5 electrones de valencia. Ej. Fósforo, Arsénico y Antimonio.

El electrón sobrante, debido a que no tienen que completarse ningún enlace, queda débilmente unido al

átomo de impureza, a temperatura ambiente, este puede disociarse del átomo de impureza y se mueve por el

semiconductor como un electrón de conducción más. Es decir, el átomo de impureza se ioniza.

Las impurezas donantes dan lugar a un electrón de conducción sin aportar ningún hueco. No se rompen

enlaces.

Cada átomo donante aumenta en uno la población de electrones libres.

Como contienen una cantidad importante de átomos donantes el material se denomina Tipo n (carga negativa)



Impurezas Aceptadoras: son elementos que tienen 3 electrones de valencia. Ej. Boro, Indio y Aluminio.

Estos átomos, igual que antes encajan en la estructura cristalina periódica del semiconductor anfitrión. Así

pues, en la estructura habrá una vacante, o sea un hueco asociado a cada átomo aceptor. Igual que antes este

hueco está débilmente unido al átomo aceptor y a temperaturas normales se mueve libremente por el

semiconductor.

Las impurezas aceptoras aportan huecos al semiconductor sin aportar electrones. No se rompen enlaces.

Cada átomo aceptor aumenta en uno la población de huecos.

Como tienen una cantidad importante de átomos aceptores el material se llama tipo p (carga positiva).



En resumen, los semiconductores, a diferencia de los metales, conducen la electricidad como consecuencia del

movimiento independiente de dos tipos de portadores de carga móviles cuyas cargas son de signo opuesto:

huecos y electrones.

Estos portadores de carga pueden crearse en un semiconductor mediante tres procesos diferentes:

1) Una fracción muy pequeña del número total de enlaces covalentes se rompe a causa de la agitación térmica

de los electrones de la banda de valencia -> Se crean y desaparecen huecos y electrones de pares.

Tiene la misma cantidad de huecos y electrones -> Semiconductor Intrínseco.

2) Por impurezas donantes. Aporta electrones -> Tipo n.

3) Por impurezas aceptoras. Aporta huecos -> Tipo p.

Como en los dos últimos casos hay una cantidad importante de impurezas el material se denomina

Semiconductor Extrínseco.

El portador que tenga mayor concentración de impurezas se llama mayoritario y el de menor minoritario.

Diodo de unión

La mayoría de los dispositivos activos semiconductores tienen una o más uniones de materiales tipo p y tipo n,

llamadas comúnmente juntura pn.



En la juntura o unión hay un cambio brusco del material tipo p al tipo n, con lo cual en las proximidades del

plano de unión habrá gradientes de concentraciones de huecos y electrones. Estos gradientes están orientados

de manera que los huecos tiendan a difundirse en la región tipo n y los electrones en la región tipo p. No

obstante, en el equilibrio, los huecos y electrones no circulan de manera estacionaria a través de la unión,

porque en las proximidades del plano de unión hay una diferencia de potencial o barrera de potencial.

Esta barrera tiene un campo eléctrico asociado que va de la región de tipo n a la región de tipo p, por lo tantose opone a las tendencias difusoras asociadas a los gradientes de concentración y evita (en el equilibrio) la

circulación tanto de huecos como de electrones.

Esta barrera surge del desequilibrio de cargas originados por la circulación por difusión de los portadores a

través del plano de unión, con lo cual hay una zona de carga positiva en el lado n y una zona de carga espacial

negativa en el lado p.



El desequilibrio de cargas resultantes debe ir acompañado de una diferencia de potencial o barrera de

potencial la que anula la circulación total de carga cuando se alcanza el equilibrio.

Así pues, la difusión de portadores mayoritarios a través de la unión desde el lado en que son mayoritarios a las

que son minoritarios es un proceso que se autolimita.



Aplicación de tensión entre los terminales

Polarización directa

Polarización inversa



Símbolo del diodo de unión

Ap li ca cio ne s

Rectificador de media onda



Rectificador de onda completa

Rectificador onda completa con puente de diodos

Diodos de disrupción

Habíamos visto que la corriente inversa de un diodo es débil e independiente de la tensión inversa, en

realidad esta condición no se cumple cuando la tensión inversa se haga suficientemente elevada.

Todos los diodos presentan una región de comportamiento en sentido inverso en la cual puede



circular corrientes inversas internas si la tensión inversa supera un valor llamado tensión de

disrupción inversa.

Esta tensión puede variar desde unos pocos volts hasta centenares de volts.

Hay dos mecanismos para producir procesos de disrupción:

1) Multiplicación por alud o avalancha.

2) Disrupción Zener.



Ap li ca cio ne s

Transistor

El Transistor básico de unión consta de dos uniones pn yuxtapuestas.

En concepto, el transistor es un dispositivo que actúa como amplificador de corriente, pero también

se puede utilizar como un interruptor.

Cuando se utiliza un transistor como válvula de gobierno, la unión emisora (base-emisor) se polariza

en directa y la unión colectora (base- colector) en inversa.



La unión emisora se fabrica con la región de emisor mucho más contaminada que la región de base,

con lo cual predominan los portadores mayoritarios (huecos en este caso) de la región de emisor en la

capa de carga espacial de la juntura emisor-base. Otra característica es que la región de base se

fabrica muy delgada.

Funcionamiento: la batería VEE polariza en sentido directo la unión base- emisor (pn), haciendo

que el emisor inyecte huecos a la base (material tipo n). La mayor parte de los huecos, debido al poco

espesor de la base y la baja recombinación, alcanzan la segunda unión hasta la región p de la derecha

(colector) polarizada negativamente. Una pequeña cantidad de estos huecos (aprox. 1%) es capturada

por el material tipo n (base). Los electrones de material tipo n se desplazan hacia el emisor tal como

se muestra en la figura anterior. Para alimentar la recombinación que tiene lugar en la base y para

mantener la inyección en el emisor de portadores mayoritarios de la región de base será necesaria

una

corriente de base (débil frente a la corriente de emisor y colector). Su intensidad es pequeña porque

la base es delgada y el emisor está mucho más contaminado, lo que reduce al mínimo la inyeccióninversa.

Mientras que la unión base-emisor representa un diodo polarizado en directa (lo que implica baja

impedancia y baja caída de potencial), la unión base-colector representa un diodo polarizado en

inversa (la impedancia colector-base es muy elevada).



La corriente que circula por el camino emisor-colector (normal a las uniones) está regida por la VBE y

es independiente de la tensión en la unión colectora.

La corriente de emisor depende exponencialmente de la VBE y no depende de la tensión de la unión

colectora por la misma razón que un diodo polarizado en inversa, lo cual implica que la intensidad decorriente no depende de la tensión inversa.



Siendo β la ganancia de corriente.

Se logra ganancia de potencia porque la tensión base-emisor y la intensidad de base son muy

pequeñas.

El transistor se denomina Bipolar porque depende de la existencia de dos tipos de portadores:

mayoritarios y minoritarios.

El Transistor

como

Interruptor

El voltaje de entrada Vin determina cuando el transistor que actúa como interruptor se encuentra

abierto (impidiendo el flujo de corriente) o cerrado (permitiendo el flujo de corriente).

Si Vin bajo => no hay flujo de corriente por la unión VBE , con una corriente de base nula, no hay

corriente de colector y por lo tanto no circulará corriente por la carga. Bajo esta condición el

transistor opera como un interruptor abierto en serie con la carga, se dice que trabaja al CORTE.

Para que el transistor trabaje al corte debe ser Vin < 0.6 Volt en el Silicio.



Para dar corriente a la carga el transistor debe trabajar como interruptor cerrado. Esto se consigue

llevando Vin a un valor suficientemente alto para llevar el transistor a la saturación.

La condición de saturación es aquella en la cual la corriente de colector es suficientemente grande

para que el voltaje VCC aparezca en los terminales de la resistencia de carga (Rc).

Con lo cual:

Si el voltaje de base es mayor o igual al anterior, el transistor opera como un interruptor cerrado.

TIRISTOR

El tiristor es un rectificador de Si controlado, se diferencia con un rectificador normal en que se puede

impedir la circulación de corriente en cualquier dirección.

En la dirección de la corriente puede volverse conductor mediante un impulso sobre un electrodo de

gobierno.

Cuando la corriente que recorre un tiristor desciende por debajo de un determinado valor mínimo, el

propio tiristor retoma el estado de no-conducción.

En el tiristor la caída de tensión en la dirección de la corriente de conducción es de aprox. 1V.

Funcionamiento del tiristor

El tiristor posee dos capas tipo p y dos capas tipo n dispuestas del modo que indica la figura:



Esta disposición de las capas hace que se tengan tres electrodos: el ánodo A, el cátodo K y elelectrodo de control St.

Si se aplica una tensión continua al tiristor en el sentido de la conducción (polo positivo al ánodo), la

tensión encuentra unabarrera en la unión S2. Si se invierte la polaridad, la tensión queda bloqueada

en las uniones S1 y S3.

El tiristor puede considerarse como la combinación de un transistor pnp con otro npn, conectados de

manera tal que coincida la base del pnp con el colector del npn.

Si se indica α 1 como el factor de amplificación de corriente del transistor pnp y α 2 como la del npn, yse aplica entre A y K con St abierto una débil tensión positiva, el tiristor es recorrido por una

pequeñisima corriente I, que puede considerarse constituida por tres componentes:

• La corriente residual Io que atraviesa la unión S2

• La corriente de colector I .α 1 del pnp.

• La corriente de colector I .α 2 del npn.

Con lo cual podemos escribir:



Conclusiones

Gracias a la investigación realizada pudimos observar las diferentes aplicaciones que tienen los

semiconductores dentro de la electrónica, y su gran importancia en el desarrollo tecnologico en el

que vivimos actualmente.



Universidad Mayor de San Simón

Facultad de Ciencias y Tecnología

Ing. Electrónica

Semiconductores

Integrantes: Bazualdo Guzman Nelson

Rocabado Rodriguez Cristhian D.

Materia: Física Moderna

Cochabamba, Noviembre 2013

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