Presentacin de PowerPoint
SEMICONDUCTORES
Son una clase especial de elementos cuya conductividad electrica
se encuentra entre la de un buen conductor y la de un
aislante.Clases:Un solo cristal: Con estructura cristalina
repetitiva. Germanio (Ge) Silicio (Si)b) Compuesto: Arseniuro de
Galio (GaAs) Sulfuro de Cadmio (CdS) Nitruro de Galio (GaN) Fosfuro
de Galio y Arsenico (GaAsP)
Son materiales semiconductors de diferentes estructura
atomica.Los tres semiconductors de diferentes estructura
atomica.Ge: Poco confiable, por su sensibilidad a los cambios de
temperatura.Si: Mejor sensibilidad a la temperatura.- GaS: Dificil
de fabricar a altos niveles de pureza, mas caro. Actualmente se
utiliza de manera consistente como material base para nuevos diseos
de C.I. a gran escala (VLSI) alta velocidad.
- El germanio (Ge) tiene 32 electrons (e-) en sus orbitas, el
silicio (Si) tiene 14 e-, el arsenico (As) con 33 e- y el galio
(Ga) con 31 e- .
El Ge y el Si tiene 4 e- en la capa externa, los cuales se
conocen como electrones de Valencia. El Ga tiene 3 e- de valencia y
el As tiene 5 e- de valencia.
Atomos de 3 e- de Valencia trivalentesAtomos de 4 e- de Valencia
tetravalentesAtomos de 5 e- de Valencia pentavalentes
Trmino Valencia: Potencial de ionizacin requerido para remover
cualquiera de estos electrones de la estructura atomica es
significativamente mas bajo que el requerido para cualquier otro
electrn en la estructura.
A la temperatura ambiente (25 oC) hay alrededor de 1.5 x 1010
portadores libres en 1 cm3 de material de silicio intrnseco (sin
impurezas).
Los materiales semiconductores tienen un coeficiente de
temperatura negativo. - Presentan un nivel de incremento de
velocidad con la aplicacin de calor. Conforme se eleva la
temperatura un mayor nmero de electrones de Valencia absorben
suficiente energa trmica para romper el enlace covalente y asi
contribuir al nmero de portadores libres.
Fig.: Diagramas de tomos de silicio y germanio.Fig. Ilustracin
de enlaces covalentes de silicio.
(a) El tomo de silicio central comparte un electrn con cada uno
de los cuatro tomos de silicio circundantes, con lo que se crea un
enlace covalente con cada uno. Los tomos circundantes estn a su vez
enlazados con los otros tomos, y as sucesivamente.(b) Diagrama de
enlaces. Los signos negativos(en gris) representan los electrones
de valenciacompartidos.
Niveles de Energa
Fig. Diagramas de energa para los tres tipos de materiales.Las
diferencias en los requerimientos de las brechas de energa revela
la sensibilidad decada tipo de semiconductor (Eg) a los cambios de
temperatura.Ejemplo. Al elevarse la temperatura de una muestra de
Ge el nmero de electrones quepueden absorver energa trmica y entrar
a la banda de conduccin se incrementa conrapidez porque la brecha
de energa es minima. El diseo de fotodetectores sensibles a la luz
y los sistemas de seguridad sensibles al calorParecen ser un
excelente area de aplicacion de los dispositivos de Ge.No obstante
en el caso de redes de Transistores, en lo que la estabilidad a la
temperaturao a la luz puede ser un factor prejudicial.
Electrones de conduccin y huecosUn cristal de silicio intrnseco
(puro) a temperatura ambiente tiene energa calorfica(trmica)
suficiente para que algunos electrones de valencia salten la banda
prohibidadesde la banda de valencia hasta la banda de conduccin,
convirtindose as en electroneslibres, que tambin se conocen como
electrones de conduccin.Cuando un electrn salta a la banda de
conduccin, deja un espacio vaco en la banda de valencia dentro del
cristal. Este espacio vaco se llama hueco. Por cada electrn elevado
ala banda de conduccin por medio de energa externa queda un hueco
en la banda devalencia y se crea lo que se conoce como par
electrn-hueco; ocurre unarecombinacin cuando un electrn de banda de
conduccin pierde energa y regresa aun hueco en la banda de
valencia.
Fig.: Creacin de pares electrn hueco en un cristal de silicio.
Los electrones en la banda de conduccin son electrones
libresCorriente de electrn y huecoCuando se aplica voltaje a travs
de un trozo de silicio intrnseco, como muestra la figura, los
electrones libres generados trmicamente presentes en la banda de
conduccin (que se mueven libremente y al azar en la estructura
cristalina) son entonces fcilmente atrados hacia el extremo
positivo. Este movimiento de electrones es un tipo de corriente en
un material semiconductor y se llama corriente de electrn.
Fig. La corriente de electrones en silicio intrnseco se produce
por el movimiento de electrones libres generados trmicamente.
Fig. Corriente de huecos en silicio intrnseco.SEMICONDUCTORES
TIPO N Y TIPO PDopado:La conductividad del silicio y el germanio se
incrementa drsticamente mediante la adicin controlada de impurezas
al material semiconductor intrnseco (puro). Este proceso, llamado
dopado, incrementa el nmero de portadores de corriente (electrones
o huecos). Los dos portadores de impurezas son el tipo n y el tipo
p.
Las caracteristicas de un material semiconductor se pueden
modificar de manerasignificativa con la adicion de atomos de
impurezas.
Un material que ha sido sometido al proceso de dopado se conoce
como material extrinseco.
Material tipo N:Se crea introduciendo elementos de impurezas que
contienen 5 e- Valencia (pentavalentes) como el antimonio (Sb), el
arsenico (As) y el fosforo (P).
Las impurezas difundidas con 5 e- Valencia se llaman atomos
donadores.
Fig. tomo de impureza pentavalente en una estructura de cristal
de silicio. Se muestra un tomo de impureza de antimonio (Sb) en el
centro. El electrn extra proveniente del tomo de Sb se convierte en
electrn libre.Portadores mayoritarios y minoritarios Como la mayora
de los portadores de corriente son electrones, el silicio (o el
germanio) dopado con tomos pentavalentes es un semiconductor tipo n
(n expresa la carga negativa de un electrn). Los electrones se
conocen como portadores mayoritarios en material tipo n. Aunque la
mayora de los portadores de corriente en un material tipo n son
electrones, tambin existen algunos huecos que se crean cuando
trmicamente se generan pares electrn-hueco (estos huecos no se
producen por la adicin de tomos de impureza pentavalentes).Los
huecos en un material tipo n reciben el nombre de portadores
minoritarios.
Material tipo PEl material tipo p se forma dopando un cristal de
Ge o Si puro con atomos de impurezas que tienen 3 e- Valencia.
Elementos mas usados para el proceso de dopaje son: Boro (B), Galio
(Ga), Indio (I), en una base de silicio.
Las impurezas difundidas con 3 e- Valencia se llaman atomos
aceptores.
Fig. tomo de impureza trivalente en una estructura de cristal de
silicio. Un tomo de impureza de boro (B) se muestra en el
centro.
(a) La estructura de diodo bsica en el instante de la formacin
de la unin que muestra slo los portadores mayoritarios y
minoritarios. Algunos electrones libres en la regin n cerca de la
unin pn comienzan a difundirse a travs de la unin y caen en huecos
cerca de la unin en la regin p.(b) Por cada electrn que se difunde
a travs de la unin y se combina con un hueco, queda una carga
positiva en la regin n, se crea una negativa en la regin p, y se
forma un potencial de barrera. Esta accin contina hasta que el
voltaje de la barrera se opone a ms difusin. Las flechas entre las
cargas positivas y negativas en la regin de empobrecimiento
representan el campo elctrico.El DIODOSi se toma un bloque de
silicio y se dopa una parte de l con una impureza trivalente y la
otra con una impureza pentavalente, se forma un lmite llamado unin
pn entre las partes tipo p y tipo n resultantes y se crea un diodo
bsico. Un diodo es un dispositivo que conduce corriente en slo una
direccin. La unin pn es la caracterstica que permite funcionar a
diodos, ciertos transistores y otros dispositivos.POLARIZACIN DE UN
DIODOEn general el trmino polarizacin se refiere al uso de un
voltaje de cc para establecerciertas condiciones de operacin para
un dispositivo electrnico. En relacin con un diodo existen dos
condiciones: en directa y en inversa. Cualquiera de estas
condiciones de polarizacin se establece conectando un voltaje de cc
suficiente y con la polaridad apropiada a travs de la unin pn.
Polarizacin en directaPara polarizar un diodo se aplica un
voltaje de cc a travs de l. Polarizacin en directa es la condicin
que permite la circulacin de corriente a travs de la unin pn.
Fig. Un diodo conectado para polarizacin en directa.
Fig. Un diodo polarizado en directa que muestra el flujo de
portadores mayoritarios y el voltaje debido al potencial de barrera
a travs de la regin de empobrecimiento.
(a) En equilibrio (sin polarizacin)(b) La polarizacin en directa
estrecha la regin de empobrecimiento y produce un cada de voltaje a
travs de la unin pn igual al potencial de barrera.Polarizacin en
inversaLa polarizacin en inversa es la condicin que en esencia
evita la circulacin de corriente a travs del diodo. La figura
muestra una fuente de voltaje de cc conectada a travs de un diodo
en la direccin que produce polarizacin en inversa.
Fig. Un diodo conectado para polarizacin en inversa. Se muestra
un resistor limitador aunque no es importante en la polarizacin en
inversa porque en esencia no hay corriente.Corriente en inversa La
corriente extremadamente pequea que existe en la condicin de
polarizacin en inversa despus de que la corriente de transicin se
disipa es provocada por los portadores minoritarios en las regiones
n y p producidos por pares de electrn-hueco generados
trmicamente.
Fig. La extremadamente pequea corriente en inversa en un diodo
polarizado en inversa se debe a los portadores minoritarios
provenientes de pares de electrn-hueco trmicamente
generados.Ruptura en inversa Normalmente, la corriente en inversa
es tan pequea que se puede despreciar. No obstante, si el voltaje
de polarizacin en inversa externo se incrementa a un valor llamado
voltaje de ruptura, la corriente en inversa se incrementar
drsticamente.FIN