Semiconductores

Unidad Nro 1:

SEMICONDUCTORESObjetivos:

Conocer las caractersticas de los semiconductores y conductores a nivel atmico. Ser capaz de describir la estructura de un cristal de Silicio. Saber cuales son y como se comportan los dos tipos de portadores y sus

impurezas. Ser capaz de explicar las condiciones que se dan en la unin pn sin polarizar,

polarizada en directa y polarizada en inversa.

1.1 ConductoresUn conductor es un material que, en mayor o menor medida, conduce el calor y la electricidad. El conductor ms utilizado y el que ahora analizaremos es el Cobre (valencia 1), que es un buen conductor. Su estructura atmica la vemos en la siguiente figura.

Su nmero atmico es 29. Esto significa que en el ncleo hay 29 protones (cargas positivas) y girando alrededor de l hay 29 electrones en diferentes rbitas.

En cada rbita caben 2.n electrones. Siendo n = 1,2,3.... (nmero de rbita)Primer rbita: 2.1 = 2 electrones.Segunda rbita: 2.2= 8 electrones.Tercer rbita: 2.3 = 18 electrones. Cuarta rbita: 2.4 = 32 electrones.

El ncleo y los electrones de rbitas internas son de poco inters en el estudio de la electrnica. Nuestro inters estar puesto en la rbita exterior, tambin llamada rbita de valencia. Es esta rbita exterior la que determina las propiedades elctricas del tomo.Para subrayar la importancia de la rbita exterior, se define la parte interna (core) de un tomo como el ncleo ms todas las rbitas internas. La parte interna de un tomo de cobre tiene una carga resultante de +1, porque tiene 29 protones y 28 electrones internos.

El electrn que se encuentra en la ltima rbita se denomina electrn de valencia. El 1

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tomo atrae de forma muy debil al electrn de valencia, una fuerza externa puede facilmente desalojar este electrn del tomo de cobre, por este motivo se lo considera un electrn libre. Lo que define a un buen conductor es el hecho de tener un solo electrn en la rbita de valencia (valencia 1).La energa termica de la temperatura ambiente es suficiente para liberar el electrn de valencia, conviertiendolo en electrn libre. Resultando un gran nmero de electrones libres.En cambio a 0 K (-273 C) un conductor no conduce.Si aplicamos una diferencia de potencial, los electrones libres se movern en una direccin, osea aparece una corriente electrica.

El electrn libre tiene una carga negativa ( 1,6.1019Coulomb ), por lo tanto el convenio tomado para definir el sentido de la corriente electrica ser contrario al movimiento de los electrones.

1.2 Semiconductores intrnsecosUn material semiconductor hecho slo de un nico tipo de tomo, se denomina semiconductor intrnsecoSon elementos, como el germanio y el silicio, que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medida que se eleva la temperatura resulta posible su conduccin. Su importancia en electrnica es inmensa en la fabricacin de transistores, circuitos integrados, etc.Los semiconductores tienen valencia 4, osea 4 electrones en la rbita exterior de valencia. Los conductores tienen 1 electrn de valencia y los aislantes 8 electrones de valencia.El material semiconductor ms utilizado es el silicio, el ncleo tiene una carga neta de +4 porque tiene 14 protones y 10 electrones en la rbita interna. Y cuatro electrones de valencia.

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1.3 Cristales de silicioAl combinarse los tomos de Silicio para formar un slido, lo hacen formando una estructura ordenada llamada cristal. Esto se debe a los Enlaces Covalentes, que son las uniones entre tomos que se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se crea un equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los tomos de Silicio.Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente forma:

Cada tomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los tomos vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en la rbita de valencia, como se ve en la figura.La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan (aunque sean compartidos) con cada tomo, gracias a esta caracterstica los enlaces covalentes son de una gran solidez.Los 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados por estar fuertemente unidos en los tomos.

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Todos los electrones de valencia estn asociados a un enlace covalente. Por tanto, al no existir portadores libres, el silicio puro a 0 K se comporta como un material aislante.Al aumentar la temperatura de un semiconductor, la energa termica permite liberar algunos de los electrones. Ello produce dos efectos:

1. Aparece un electrn libre dispuesto a formar parte de una corriente electrica.2. En el tomo al que se asociaba el eletrn aparece un defecto de carga negativa,

osea una carga positiva que se denomina hueco.Este proceso se llama generacin de pares electro-hueco. A medida que aumenta la temperatura en un semiconductor habra mayor nmero de pares electron-hueco.

Cuando los electrones libres del semiconductor pierden parte de su energa cintica, debido a los mltiples choques con la estructura de la red, vuelven a ligarse a los tomos de la misma, ocupando asun hueco dejado por otro electrn liberado. En tal caso se origina un proceso denominado recombinacin de pares electrn-hueco.

De esta forma, los semiconductores se diferencian de los conductores en que poseen dos tipos de portadores de carga: el electrn y el hueco.

En el caso del silicio puro, el nmero de portadores libres a temperatura ambiente es lo suficientemente bajo como para asegurar una alta resistividad.

1.4 Semiconductores extrnsecosA fin de aumentar la conductividad de un semiconductor, se le suele dopar o aadir tomos de impurezas a un semiconductos intrnseco, un semiconductor dopado es un semiconductor extrnseco.

Caso 1: Semicondutor tipo NSustituimos un atomo de silicio por otro de valencia 5, como asnico (As), antimonio (Sb), fosforo (P). Tenemos un cristal de silicio dopado con tomos de valencia 5. Como solo existe la posilibidad de establecer cuatro enlaces covalentes con los tomos de silicio adyacentes, a una temperatura no muy elevada, el 5 electrn quedar libre.Por cada atomo de impureza pentavalente tendremos un electrn libre, ms los que se hagan libres por generacin termica, estos ltimos sern muy pocos comparados con la cantidad de electrones libres generados por impurezas.

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A estas impurezas se las llama Impurezas Donadoras, porque justamente donan un electrn libre.

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 tensin 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.

Caso 2: Semiconductor tipo PPor el contrario, un semiconductor extrnseco tipo p se obtiene con la introduccin de un tomo trivalente, por ejemplo Boro, Aluminio, Galio. En este caso, el tomo de impureza no posee el nmero suficiente de electrones de valencia para completar los cuatro enlaces covalentes, con lo cual, queda una vacante (hueco) en uno de los enlaces. El hueco puede ser ocupado por un electrn ligado de un enlace vecino, de modo que el hueco se mueve por el semiconductor, tal y como lo hacen los huecos producidos por generacin de pares electrn-hueco. De esta forma, se consigue aumentar la corriente debida a huecos con respecto a la de electrones.

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A estas impurezas se les llama Impurezas Aceptoras. Hay tantos huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de generacin trmica (muy pocos).Como el nmero de huecos supera el nmero de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.Al aplicarse una tensin, 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 hay tambin 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.

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SEMICONDUCTORES1.1 Conductores1.2 Semiconductores intrnsecos1.3 Cristales de silicio1.4 Semiconductores extrnsecosCaso 1: Semicondutor tipo NCaso 2: Semiconductor tipo P