Informe “semiconductores”

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Temuco, 2015

Introducción

En este informe daremos a conocer el concepto central semiconductores sus características y funciones principales además del estudio de las propiedades físicas de los materiales semiconductores y sus sorprendentes aplicaciones.

Para tener una idea de la real magnitud de esta revolución pensemos por un momento en los transistores, probablemente la aplicación tecnológica más importante de los semiconductores. Cualquier habitante del mundo moderno se encuentra rodeado cotidianamente por millones de transistores. Están en el televisor, en el equipo de música, en la máquina de lavar. Un computador personal puede llegar a tener algunos miles de millones de transistores. De hecho, en el mundo existen muchos más transistores que personas.

En su mayoría los chips y transistores “semiconductores” son creados en base al silicio. Lo cierto es que este elemento ha adquirido gran importancia en la electrónica actual, y por ende, en la tecnología.

La gran mayoría de los dispositivos de estado sólido que actualmente hay en el mercado se fabrican con un tipo de materiales conocidos como semiconductores. De ahí que vamos a

empezar nuestro estudio examinando las propiedades físicas de dichos elementos. Estudiaremos las características de los materiales que nos permiten distinguir un

semiconductor de un aislante y de un conductor y veremos, además, el dopado de un semiconductor con impurezas para controlar su funcionamiento

¿Qué son semiconductores?

Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante.

El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno .Otros semiconductores son el germanio y el selenio.

Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones, denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos, formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo.

Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, que con respecto a los electrones próximos tiene efectos similares a los que provocaría una carga positiva. Los huecos tienen la misma carga que el electrón pero con signo positivo. El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los siguientes fenómenos: - Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de la pila. - Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila. - Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado, siendo constante en todo momento el número de electrones dentro del cristal de silicio. - Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica. Semiconductores

Lugar que ocupan en la tabla periódica los trece elementos con características de semiconductor, identificados con su número atómico y grupo al que pertenecen.

- Gris (metales)- Amarillos (metaloides)- Azul (no metales)

Propiedades semiconductores

Los semiconductores posibilitan el poder de modificar su resistividad de manera controlada entre márgenes muy amplios.

En un semiconductor formado por dos elementos químicos diferentes la asimetría conlleva en general una cierta pérdida de carácter covalente puro, en el sentido de desplazar el centro de gravedad de la carga hacia uno u otro átomo.

Los semiconductores son elementos que en su última capa tienen 4 electrones por lo que se pueden comportar en determinadas condiciones como aislantes o como conductores dependiendo que uso se les quiera dar estos materiales son los más utilizado para fabricar los diodos y transistores.

¿Qué es un transistor?

Un transistor es un aparato que funciona en base a un dispositivo semiconductor que cuenta con tres terminales, los que son utilizados como amplificador e interruptor.Estos se comportan como parte fundamental de aparatos electrónicos, un ejemplo seria en aparatos digitales este se utiliza como interruptor, pero a su vez les da otros usos que guardan relación con memorias ram y puertas lógicas.

Características:

 El consumo de energía es relativamente baja.

 El tamaño de los transistores es relativamente más pequeña que los tubos de vacío.

 El peso.

 Una vida larga útil

 Puede permanecer mucho tiempo en depósito (almacenamiento).

 No necesita tiempo de calentamiento.

 Resistencia mecánica elevada.

 Los transistores pueden reproducir el fenómeno de la foto sensibilidad (fenómenos sensibles a la luz).

Existen varios tipos de transistores, entre los que se encuentran los bipolares (surgen a partir de unión de tres cristales de material semiconductor), los de efecto campo (se encuentran en calculadoras, radios y tv, etc.)

Resistencia de materiales semiconductores

Tienen una resistividad entre 1 y 10000 (ohmio*m). En este grupo se encuentran principalmente el germanio y el silicio. Estos materiales son de gran importancia, sobre todo el silicio, ya que es la base de la fabricación de los componentes electrónicos.

Comportamiento eléctrico

El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los siguientes fenómenos:

Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de la pila.

Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila.

Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado, siendo constante en todo momento el número de electrones dentro del cristal de silicio.

Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica.

Modelo de banda de energía.

Las energías que tienen los electrones en el cristal son semejantes a la que tienen en los átomos libres, pero los electrones deben obedecer al principio de exclusión de Pauli (no pueden haber dos “e-” en el mismo estado cuántico)Principio de Pauli: Este principio de la cuántica dice que dos partículas (concretamente fermiones) que tiene los números cuánticos con los que constan idénticos, no pueden existir.

- En los sólidos, debido a la interacción entre los átomos que forman el cristal, aparece un desbordamiento de estados (desbordamiento de energías.)- Cada nivel en el átomo forma una banda.

Semiconductores de tipo N (negativo) y P (positivo)

Semiconductor Tipo N: se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de atomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de cargas libres(negativos), el propósito del dopaje tipo N es productor abundancia de electrones portadores en el material.

Semiconductor Tipo P: se obtiene en un proceso de dopado igualmente, además de añadir átomos al semiconductor para aumentar las cargas libre(positivos), el dopaje para el tipo P es para crear abundancia de huecos.

Se emplea para mejorar la conductividad eléctrica de los semiconductores, se utilizan impurezas añadidas voluntariamente. Esta operación se denomina dopado, utilizándose dos tipos:

Impurezas pentavalentes. Impurezas trivalentes. Son elementos cuyos átomos tienen tres

electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el boro, el galio y el indio.

Cuando un elemento con cinco electrones de valencia entra en la red cristalina del silicio, se completan los cuatro electrones de valencia que se precisan para llegar al equilibrio y queda libre un quinto electrón que le hace mucho mejor conductor. De un semiconductor dopado con impurezas

Semiconductores intrínsecos

Son materiales en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libre que se encuentran presentes en la banda de conducción.

Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solo por átomos de silicio (si) que forman una celosía. (Estructura reticular de barras rectas interconectadas en nodos formando triángulos planos).

Semiconductores extrínsecos Tipo P

En este caso son los que están dopados con elementos trivalentes, (Al, B, Ga).Esto hace que los electrones salten a las vacantes con facilidad, dejando huecos en las bandas de valencia, y siendo los huecos portadores mayoritarios.

Trivalente

Son los que a la hora de formar una estructura cristalina, dejen una vacante con un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia, pues no existe el cuarto electrón que lo llenaría.

En cambio, si se introduce una impureza trivalente en la red cristalina del silicio, se forman tres enlaces covalentes con tres átomos de silicio vecinos, quedando un cuarto átomo de silicio con un electrón sin enlazar, provocando un hueco en la red cristalina. De un semiconductor dopado con impurezas trivalentes se dice que es de tipo P ya que este conduce fundamentalmente, aunque no de forma exclusive, mediante los huecos cargados positivamente.

Semiconductores extrínsecos Tipo N

Son los que están dopados, con elementos pentavalentes (As, P, Sb). Como ahora en el semiconductor existe un mayor número de electrones que de huecos, se dice que los electrones son los portadores mayoritarios, y a las impurezas se les llama donadoras.En cuanto a conductividad aumenta de forma elevada.

Pentavalentes

Se dice que es de tipo N. A temperatura ambiente e incluso inferior, este electrón se libera con facilidad y puede entonces moverse por la red cristalina, por lo que constituye un portador. Es importante señalar que, cuando se libera este electrón, en la estructura de enlaces no queda ninguna vacante en la que pueda caer otro electrón ligado.

Unión PN

Cuando a un material semiconductor se le introducen impurezas de tipo P por un lado e impurezas tipo N por otro, se forma una unión PN .

Los electrones libres de la región N más próximos a la región P se difunden en ésta, produciéndose la recombinación con los huecos más próximos de dicha región. En la región N se crean iones positivos y en la región P se crean iones negativos. Por el hecho de formar parte de una red

cristalina, los iones mencionados están interaccionados entre sí y, por tanto, no son libres para recombinarse.

Por todo lo anterior, resulta una carga espacial positiva en la región N y otra negativa en la región P, ambas junto a la unión. Esta distribución de cargas en la unión establece una (barrera de potencial) que repele los huecos de la región P y los electrones de la región N alejándolos de la mencionada unión. Una unión PN no conectada a un circuito exterior queda bloqueada y en equilibrio electrónico a temperatura constante.

Unión PN polarizada en directo

Si se polariza la unión PN en sentido directo, es decir, el polo positivo de la pila a la región P y el polo negativo a la región N, la tensión U de la pila contrarresta la (barrera de potencial) creada por la distribución espacial de cargas en la unión, desbloqueándola, y apareciendo una circulación de electrones de la región N a la región P y una circulación de huecos en sentido contrario. Tenemos así una corriente eléctrica de valor elevado, puesto que la unión PN se hace conductora, presentando una resistencia eléctrica muy pequeña. El flujo de electrones se mantiene gracias a la pila que los traslada por el circuito exterior circulando con el sentido eléctrico real, que es contrario al convencional establecido para la corriente eléctrica.

Unión PN polarizada en inverso

Si se polariza la unión PN en sentido inverso, es decir, el polo positivo de la pila a la región N y el polo negativo a la región P, l a tensión U de la pila ensancha la ( barrera de potencial) creada por la distribución espacial de cargas en la unión, produciendo un aumento de iones negativos en la región P y de iones positivos en la región N, impidiendo la circulación de electrones y huecos a través de la unión.

La unión PN se comporta de una forma asimétrica respecto de la conducción eléctrica; dependiendo del sentido de la conexión, se comporta corno un buen conductor (polarizada en directo) o como un aislante (polarizada en inverso).

APLICACIONES PARA DIODOS DE UNION P-N.

Diodos rectificadores: Uno de los usos más importantes de estos diodos de unión p-n es convertir corriente alterna en corriente continua, lo que se conoce como rectificación. Al aplicar una señal de corriente alterna a un diodo de unión p-n, este conducirá sólo cuando la región p tenga aplicado un voltaje positivo con respecto a la región n, por lo que se produce una rectificación de media onda. Esta señal se suaviza con otros dispositivos y circuitos electrónicos, para dar una corriente continua estable.

Diodos de avalancha: También se les llama diodos zener; son rectificadores de Si. En la polarización inversa se produce una pequeña fuga de corriente, debido al movimiento de electrones y huecos térmicamente activados. Al hacerse demasiado grande la polarización inversa, cualquier portador que llegue a fugarse se acelerara lo suficiente para excitar a portadores de carga, causando una corriente elevada en dirección inversa. Debido a este fenómeno se pueden diseñar dispositivos limitadores de voltaje. Al dopar adecuadamente la unión p-n, se puede seleccionar el voltaje de avalancha o de ruptura. Al aumentar mucho el voltaje, por encima del de ruptura, fluirá una corriente elevada a través de la unión, así se evita que pase por el resto del circuito; por eso se utilizan para proteger circuitos contra voltajes accidentales.

TRANSISTOR DE UNION BIPOLAR.

Un transistor de unión bipolar es un apilamiento de materiales semiconductores en secuencia n-p-n-p-n-p. En el transistor se pueden distinguir tres zonas:

Emisor: emite portadores de carga, como es de tipo n, emite electrones. Base: controla el flujo de los portadores de carga, es de tipo p. Esta se hace

muy delgada (del orden de 10-3 cm de espesor) y se dopa, de forma que solo una pequeña fracción de los portadores que viene del emisor se combinará con los portadores mayoritarios de la base con carga opuesta.

Colector: recoge los portadores de carga provenientes del emisor; la zona del colector es del tipo n, recoge electrones.

Aplicaciones de semiconductores

Los semiconductores tienen una infinidad de usos y aplicaciones, por ejemplo son imprescindibles en la fabricación de diodos (LED), dispositivos electrónicos o panales solares. Algunos de los semiconductores más utilizados son:

Termistores: La conductividad depende de la temperatura.

Transductores de presión: La aplicación de presión a este tipo de semiconductor que el GAP de energía entre banda de conducción y Valencia se estreche y aumente la conductividad

Rectificadores (dispositivos de unión del tipo P y N): Se unen semiconductores tipo N y P (unión P y N) y al hacerlo los electrones se concentran en la unión del tipo N y los huecos en la unión P, este desequilibrio electrónico crea un voltaje en la unión que se utiliza como rectificador.

Transistores de unión bipolar: Estos transistores se utilizan generalmente en los CPU (unidades de procesamiento central) de ordenadores por la eficiencia en dar una respuesta rápida a la conmutación.

Transistores de efecto de campo: Son utilizados frecuentemente para almacenar información en la memoria de los ordenadores.

Conceptos semiconductores

Semiconductor intrínseco: semiconductor no dopado consistente en un material semiconductor

extremadamente puro, que contiene cantidades insignificantes de átomos de impureza; un semiconductor cuyas propiedades son inherentes al mismo.

Dopantes: átomos de impureza específicos que se añaden a los semiconductores en dosis controladas con la intención deliberada de incrementar las concentraciones de electrones o de huecos.

Semiconductor extrínseco: semiconductor dopado; un semiconductor cuyas propiedades están controladas por los átomos de impureza añadidos.

Donador: átomo de impureza que incrementa la concentración de electrones; dopante tipo n.

Aceptador: átomo de impureza que incrementa la concentración de huecos; dopante de tipo p.

Material tipo n: material dopado con donadores; un semiconductor que contiene más electrones que huecos.

Material tipo p: material dopado con aceptadores; un semiconductor que contiene más huecos que electrones.

Portador mayoritario: el portador más abundante en una muestra de semiconductor dada; electrones en un material tipo n, huecos en un material tipo p.

Conclusión

Referencias

http://quimica.laguia2000.com/general/principio-de-exclusion-de-pauli

Donald R. Askeland, Ciencia e ingeniería de los materiales, Ed. Paraninfo Thompson Learning, 2001

William F Smith, Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, 3ª Edición, Ed. Mc Graw Hill.

https://www.youtube.com/watch?v=hsJGw_c-Nn4 (video )