Capitulo1 electronica

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UNIDAD 1 UNIDAD 1 TEMA: SEMICONDUCTORES TEMA: SEMICONDUCTORES

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UNIDAD 1UNIDAD 1

TEMA: SEMICONDUCTORESTEMA: SEMICONDUCTORES

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Todos los diodos, transistores y circuitos integrados están hechos de materiales materiales semiconductoressemiconductores.

A fin de comprender como funcionan los dispositivos electrónicos es necesario un conocimiento básico sobre la teoría atómica y la estructura de los materiales la teoría atómica y la estructura de los materiales semiconductores.semiconductores.

ATOMOSATOMOS

Toda materia esta compuesta por átomos y todos los átomos están constituidos por electrones, protones y neutrones.

ESTRUCTURA DEL ATOMOESTRUCTURA DEL ATOMO

Un átomo es la partícula mas pequeña de un elemento que retiene las características de ese elemento. Cada elemento conocido tiene átomos que difieren de los átomos de todos los demás elementos. Esto da a cada elemento una estructura atómica única.

Los átomos tienen una estructura de tipo planetario que consiste en un núcleo central rodeado de electrones orbítales, como se ilustra en la figura:

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Partes del Átomo:Partes del Átomo:

El núcleo esta formado por partículas cargadas positivamente, llamadas protones y partículas sin carga, llamadas neutrones.

Los electrones son partículas fundamentalmente de carga negativa.

Cada tipo de átomo tiene un cierto numero de electrones y protones que lo distinguen de los átomos de todos los otros elementos. Por ejemplo: el átomo mas simple es el de hidrogeno tiene un protón y un electrón como se muestra en la figura 1, El átomo de helio tiene dos protones y dos neutrones en el núcleo, orbitados por los dos electrones, como se muestra en la figura 2.

Figura 1 Figura 2

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PESO Y NUMERO ATOMICOPESO Y NUMERO ATOMICO

Todos los elementos están dispuestos en la tabla periódica de los elementos en un orden según su numero atómico, que es igual al numero de electrones en un átomo (neutro) equilibrado eléctricamente. Los elementos también pueden ordenarse según su peso atómico, que es aproximadamente el numero de protones y neutrones en el núcleo.

En su estado normal o neutro, todos los átomos de un elemento dado tienen el mismo número de electrones y protones; las cargas positivas cancelan a las negativas y el átomo tiene una carga neta igual a cero.

CAPAS Y ORBITAS ELECTRONICASCAPAS Y ORBITAS ELECTRONICAS

Los electrones orbitan al núcleo a ciertas distancias de el. Los electrones cercanos al núcleo poseen menos energía que los de orbita mas distantes.

Los electrones deben orbitar solo a distancias discretas del núcleo.

Cada distancia discreta (orbita) al núcleo corresponde un cierto nivel energético. En un átomo, las orbitas se agrupan en bandas energéticas conocidas como capas. Un átomo dado posee un numero fijo de capas. Cada capa tiene un numero máximo fijo de electrones en niveles energéticos permisibles (orbitas). Cada capa se designan con las letras K, L, M, N y así sucesivamente, siendo la capa K la mas próxima al núcleo.

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ELECTRONES DE ELECTRONES DE VALENCIAVALENCIA

Los electrones en las orbitas mas alejadas del núcleo están mas débilmente ligados al átomo que los mas cercanos al núcleo. Esto se debe a que la fuerza de atracción entre el núcleo cargado positivamente y los electrones cargados negativamente disminuye al aumentar la distancia. Los electrones con los niveles energéticos mas altos se encuentran en la capa mas alejada del átomo y están relativamente poco ligados al átomo. Estos electrones de valencia contribuyen a las reacciones químicas y al enlace dentro de la estructura del material. La valencia de un átomo es el numero de electrones que hay en su capa mas alejada.

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IONIZACIONIONIZACIONCuando un átomo absorbe energía de una fuente calorífica o de la luz, por ejemplo, los niveles energéticos de los electrones se elevan. Cuando un electrón gana energía, pasa a una orbita mas alejada del núcleo. Como los electrones de valencia poseen mas energía y están ligados mas débilmente al átomo que los electrones interiores, pueden saltar a orbitas mas altas mas fácilmente cuando absorben energía externa.

Si un electrón de valencia adquiere una cantidad suficiente de energía, puede removerse completamente de la capa exterior y de la influencia del átomo. La salida de un electrón de valencia deja a un átomo previamente neutro con un exceso de carga positiva (mas protones que electrones). El proceso de perder un electrón de valencia se conoce como ionización y el átomo resultante cargado positivamente, se denomina Ion posit ivo. el electrón de valencia que escapo se denomina electrón l ibre. Cuando un electrón libre cae en la capa externa de un átomo neutro, el átomo se carga negativamente (mas electrones que protones) y se denomina Ion negativo.

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ATOMOS DE SILICIO Y GERMANIO

Dos tipos de materiales semiconductores usados en la fabricación de diodos, transistores y otros dispositivos son el silicio y el germanio. Ambos átomos de silicio y germanio tienen cuatro electrones de valencia. Difieren en que el silicio tiene 14 protones y el germanio tiene 32.El silicio es por mucho el mas ampliamente utilizado.

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ENLACES COVALENTESENLACES COVALENTES

Cuando los átomos de silicio se combinan para formar un material sólido, se disponen en un patrón fijo denominado cristal. Los átomos dentro de la estructura cristalina se mantienen unidos mediante enlaces covalentes, que se crean por interacción de los electrones de valencia de los átomos. Un trozo sólido de silicio es un material cristalino. En la siguiente figura se muestra como se coloca cada átomo de silicio con cuatro átomos adyacentes. Un átomo de silicio con sus cuatro electrones de valencia comparte un electrón con cada uno de sus cuatro vecinos. Lo anterior crea efectivamente ocho electrones de valencia para cada átomo y produce un estado de estabilidad química.

Esta repartición de electrones de valencia produce los enlaces covalentes que mantienen juntos a los átomos. Un cristal de silicio puro es también llamado intrínseco.

Electrones de valencia compartida forman enlaces covalentes

Enlaces covalentes en un cristal de silicio puro (intrínseco)

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CONDUCCION EN CRISTALES SEMICONDUCTORESCONDUCCION EN CRISTALES SEMICONDUCTORES

La manera en que un material conduce corriente eléctrica es muy importante para comprender como operan los dispositivos electrónicos. El funcionamiento de un dispositivo como un diodo o un transistor no puede comprenderse completamente sin conocer algo acerca del fenómeno de corriente básica y el por que algunos elementos son mejores conductores que otros.

Los electrones de un átomo pueden existir solo dentro de bandas energéticas preescritas.

Aquí se muestra el silicio a temperatura de cero absoluto o no excitado.

Primera Banda

Segunda Banda

Banda de Valencia

Banda de Conducción

Energía

Espacios de energía (no hay

electrón)

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ELECTRONES Y HUECOSELECTRONES Y HUECOS

Primera Banda

Segunda Banda

Banda de Valencia

Banda de Conducción

Energía

Energía Caloríf ica

Electrón Libre

Hueco

Si Si

Energía Caloríf ica Electrón Libre

Diagrama de Energía

Diagrama de Enlace

Cuando un cristal de silicio puro a temperatura ambiente absorbe energía calorífica provoca que algunos electrones de valencia ganen suficiente energía para saltar desde la banda de valencia hasta la banda de conducción convirtiéndose en electrones libres, también llamados electrones de conducción.

Cuando un electrón salta a la banda de conducción deja una vacante en la banda de valencia, a esta vacante se la denomina Hueco. Por cada electrón que se eleva a la banda de conducción hay un Hueco en la banda de valencia, creando lo que se denomina par electrón-hueco

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 El aumento de temperatura rompe algunas uniones entre átomos liberándose un cierto 

número de electrones.

ELECTRONES Y HUECOSELECTRONES Y HUECOS

La recombinación ocurre cuando un electrón en la banda de conducción pierde energía y cae nuevamente en un hueco en la banda de valencia

Hueco.Ausencia de un electrón en la órbita de valencia. Por ejemplo, cada átomo en un cristal de silicio tiene normalmente ocho electrones en la órbita de valencia. Por medio de energía calorífica es posible sacar uno de los electrones de valencia produciéndose así un hueco. El hueco es, en el fondo, una partícula imaginaria que solo se utiliza para explicar el comportamiento físico de los materiales.

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GERMANIO CONTRA SILICIO

El cristal de germanio es semejante a la del silicio salvo que, en virtud de su estructura atómica, el germanio puro tiene mas electrones libres que el silicio y, por tanto, una conductividad más alta. Sin embargo, el silicio es el material semiconductor preferido y se usa más ampliamente que el germanio. Una razón que explica lo anterior es que el silicio puede utilizarse a una temperatura mucho más elevada que el germanio.

CORRIENTE ELECTRONICA Y DE HUECOS

Cuando se aplica un voltaje a través de una pieza de silicio intrínseco, los electrones libres generados térmicamente en la banda de conducción son fácilmente atraídos hacia el extremo positivo. A ese movimiento de electrones libres se denomina corriente de electrones.

Otro tipo de corriente ocurre en el nivel de valencia, donde existen huecos creados por los electrones de valencia. Los electrones que permanecen en la banda de valencia continúan adheridos a sus átomos y nos son libres para moverse aleatoriamente en la estructura cristalina. Sin embargo, un electrón de valencia puede caer en un hueco próximo, con poco cambio en su nivel energético, dejando así otro hueco en su lugar de procedencia. Efectivamente el hueco se ha movido de un lugar a otro en la estructura cristalina, a este movimiento se le denomina corriente de huecos.

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La corriente de electrones en silicio intrínseco es producida por el movimiento de electrones libres

generados térmicamente

CORRIENTE ELCTRONICA Y DE HUECOS

Electrón de valencia

Hueco

Corriente de Hueco

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SEMICONDUCTORES, CONDUCTORES Y AISLANTESSEMICONDUCTORES, CONDUCTORES Y AISLANTES

En un semiconductor puro (intrínseco) hay relativamente pocos electrones libres, por lo que ni el silicio ni el germanio son muy útiles en su estado intrínseco. No son aisladores ni buenos conductores, pues la corriente en un material depende directamente del numero de electrones libres.

Una comparación de las bandas energéticas para los tres tipos de materiales se presenta en la siguientes figuras, en ellas se muestra las diferencias esenciales entre ellos, con respecto a la conducción.

Las bandas de valencia y de conducción en un conductor como el cobre se traslapan, de modo, que siempre hay muchos electrones de conducción. Aun sin la aplicación de energía externa, muchos electrones de valencia en un conductor ya poseen energía suficiente para saltar a la banda de conducción.

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Semiconductores de Semiconductores de Tipo N y PTipo N y P

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Semiconductores deSemiconductores detipo N y Ptipo N y P

Los materiales semiconductores no permiten bien el paso de corriente, por lo que tienen muy poco valor en su estado intrínseco.

Ejemplos de semiconductores son :

El germanio y el silicio.

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DopadoDopado

La conductividad del silicio y del germanio pueden incrementar mediante la adición controlada de impurezas al material puro.

Este proceso se le denomina dopado.

Las categorías de impurezas son:

•tipo tipo P P

•tipo tipo NN

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Semiconductor Tipo NSemiconductor Tipo NPara aumentar el numero de electrones en la

banda de conducción del silicio puro se añaden átomos de impureza PENTAVALENTES, como el arsenio, fósforo y antimonio.

Un electrón creado por medio de este proceso de dopado no deja ningún hueco en la banda de valencia.

Figura 1-13 Átomo de impureza pentavalente en un cristal de silicio. En el centro se observa un átomo de impureza de antimonio (Sb). El electrón adicional se vuelve un electrón libre.

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El material dopado de esta manera es un semiconductor tipo N.

N representa la carga negativa en un electrón.

En este tipo N los electrones se denominan portadores mayoritarios y los huecos portadores minoritarios.

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Semiconductor Tipo PSemiconductor Tipo P

A fin de incrementar el numero de huecos en el silicio puro se añaden átomos de impurezas trivalentes como el aluminio, boro, galio.

Un hueco creado de esta forma no va acompañado de un electrón libre

Figura 1-14 Átomo de impureza trivalente en un cristal de silicio. En el centro se observa un Átomo de impureza de boro (B).

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El material impurificado de esta forma se denomina semiconductor tipo P.

Los huecos pueden concebirse con carga positiva.

En este semiconductor tipo P los huecos son denominados portadores mayoritarios y los electrones portadores minoritarios.

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Al formarse la unión, algunos de los electrones de conducción cercano se difunden a través de la región P y se recombinan con huecos.

Cada electrón que cruza y se recombina con un hueco en la región N, a la unión queda un átomo pentavalente con carga positiva (Ion positivo).

Cuando el electrón se recombina con un hueco en la región P queda un átomo trivalente con carga negativa (Ion negativo).

Al formarse las capas iónicas, el área de ambos de la unión queda desprovisto de electrones y huecos, esto se denomina capa de empobrecimientocapa de empobrecimiento.

Capa de EmpobrecimientoCapa de Empobrecimiento

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La existencia de iones positivos y negativos en caras opuestas crea un potencial de barrerapotencial de barrera a través de la capa de empobrecimiento, como se indica en la figura siguiente.

)( BV

Figura 1-16 Condición de equilibrio de la unión pn. Los pocos electrones en la región p (puntos oscuros) y los pocos huecos (círculos vacíos) en la región n son los portadores minoritarios creados por pares electrón-hueco producidos térmicamente.

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GRACIASGRACIAS