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Introducción a la Introducción a la Electrónica Electrónica Dispositivos semiconductores 2da Clase Introducción a la Electrónica Semiconductores: Silicio Semiconductores: Silicio Estr ct ra cristalina Estructura cristalina • La distribución espacial de los átomos dentro de un material determina sus propiedades material determina sus propiedades. • El silicio puede existir en tres formas diferentes • A f fit • Amorfo -> grafito • Policristalino • Cristalino > diamante • Cristalino -> diamante 09/09/2009 2 Introducción a la Electrónica
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Introducción a la Introducción a la ElectrónicaElectrónica
Dispositivos semiconductores 2da Clase
Introducción a la Electrónica
Semiconductores: SilicioSemiconductores: Silicio
Estr ct ra cristalinaEstructura cristalina• La distribución espacial de los átomos dentro de un
material determina sus propiedadesmaterial determina sus propiedades.• El silicio puede existir en tres formas diferentes
• A f fit• Amorfo -> grafito• Policristalino• Cristalino > diamante• Cristalino -> diamante
09/09/2009 2Introducción a la Electrónica
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Semiconductores: SilicioSemiconductores: Silicio
Estr ct ra cristalinaEstructura cristalina
Enlaces covalentesEnlaces covalentes
Átomo de silicio
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Semiconductores: SilicioSemiconductores: Silicio
PortadoresPortadores
Cuando un enlace de
Sin portadoresSi-Si es roto, el electrón asociado es un portador de corriente
Remover un l t ó d l b dde corriente.
Equivalentemente, la excitación de un
electrón de la banda de valencia crea un estado vacío.
electrón
electrón de la banda de valencia a la banda de conducción crea
Este estado vacío, es un segundo tipo de portadoresconducción crea
portadores -> Electrones en la banda de conducción
de portadores denominado lagunas
laguna
banda de conducción son portadores
Electrones y lagunas son portadores en los semiconductores
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g en los semiconductores
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Semiconductores: SilicioSemiconductores: Silicio
Generación de pares electrones lag nasGeneración de pares electrones-lagunas
Concentración de electrones intrínseco
A elevar la temperatura algunos enlaces
Concentración de lagunas
Corriente en un semiconductorA elevar la temperatura algunos enlaces covalentes son rotos, y los electrones asociados al enlace son libres de desplazarse
Corriente en un semiconductor
bajo la influencia de un campo eléctrico externo.
Simultáneamente la ruptura del enlace deja
Movilidad de los electrones
Movilidad de las lagunas
Simultáneamente, la ruptura del enlace, deja una carga positiva neta en la estructura de valencia -> lagunas
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Semiconductores: SilicioSemiconductores: Silicio
Circ lación de corriente en n semicond ctorCirculación de corriente en un semiconductor
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Silicio con dopajeSilicio con dopaje
El agregado de un pequeño porcentaje de átomosEl agregado de un pequeño porcentaje de átomos foráneos en la estructura cristalina del silicio produce importantes cambios en sus propiedadesproduce importantes cambios en sus propiedades eléctricas. • Material tipo N: Dopantes con valencia +5 son p p
utilizados.• 4 electrones de la banda de valencia forman enlaces
l t l át i d ili i Elcovalentes con los átomos vecinos de silicio. El electrón restante esta débilmente ligado al átomo de impureza, actuando como un electrón libre.impureza, actuando como un electrón libre.
• Impurezas donoras: donan un electrón a la banda de conducción.
• Fósforo, arsénico, antimonio
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Silicio Tipo NSilicio – Tipo N
C d ti id dConductividad
Concentración de átomos donores
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Silicio Tipo P Silicio – Tipo P
TIPO PTIPO P• Dopantes con valencia +3 son empleados: Boro,
Galio IndioGalio, Indio.• Para completar el enlace covalente con átomos de
silicio un electrón es atraído de la banda de valenciasilicio, un electrón es atraído de la banda de valencia dejando una laguna.
• impureza aceptora: acepta un electrón de la banda deimpureza aceptora: acepta un electrón de la banda de valencia
09/09/2009 9Introducción a la Electrónica
SemiconductoresSemiconductoresTerminologíaTerminología• Semiconductor intrínseco:
• semiconductor sin el agregado de impurezasg g p• Donor:
• Átomos de impurezas que incrementan la concentración de electroneselectrones
• Aceptor• Átomos de impurezas que incrementan la concentración de p q
lagunas• Portadores mayoritarios:
• Los portadores mas abundantes en un semiconductor• Los portadores mas abundantes en un semiconductor. Electrones en material tipo N y lagunas en material tipo P.
• Portadores minoritarios:• Los portadores menos abundantes en un semiconductor.
Electrones en material tipo P y lagunas en material tipo N
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Juntura P NJuntura P-NLa concentración de átomos donores es mayor que la de aceptores
A temperatura ambiente,aislados
•Cada electrón de los átomos donores tiene suficiente energía para g pescapar de su átomo y puede desplazarse librementelibremente.
•Los átomos aceptores han adquirido un electrón qde la banda de valencia, dejando lagunas que circulan libremente
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circulan libremente
Juntura P N en equilibrioJuntura P-N en equilibrio
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Juntura P N en equilibrioJuntura P-N en equilibrioUn diodo de juntura consiste de un materialUn diodo de juntura consiste de un material Semiconductor tipo P en contacto con unmaterial N.
•Consideraciones•Region P – N_A atomos aceptores•Region N – N D atomos donoresRegion N N_D atomos donores
N_D>N_A•No existe potencial externo aplicado
Electrones
Región N: Los electrones cercanos a la juntura se difunden desde la región con alta concentración de electrones (región N) a la Electrones
Lagunas
concentración de electrones (región N) a la región con baja concentración de electrones (region P). LagunasRegión P: Las lagunas se difunden hacia la región N.
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Juntura P N en equilibrioJuntura P-N en equilibrio
Los electrones que se difunden a la región PLos electrones que se difunden a la región P dejan átomos ionizados + en el lado N.
Las lagunas dejan átomos ionizados – en laLas lagunas dejan átomos ionizados en la región P.
R ió d d l ió d iRegión de depleción : capa de iones sin neutralizarDensidad
de cargaCampo eléctrico El campo eléctrico desplaza losCampo eléctrico
potencial
El campo eléctrico desplaza los electrones fuera de la región de depleción
Corriente de desplazamientop Corriente de desplazamiento
EQUILIBRIO : otros electrones de la región N no pueden migrar hacia la región P porque
Corriente de difusión
Corriente de desplazamiento
N P N P=
N no pueden migrar hacia la región P porqueson repelidos por los iones negativos dela región P y atraídos por los iones negativos
de la región N
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N P N P= de la región N
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Juntura PN en equilibrioJuntura PN en equilibrioCampo eléctrico
Una barrera de potencial es generada
potencial
Una barrera de potencial es generada para mantener el equilibrio
potencialPotencial de contacto
Representa la barrera de potencial Concentración de portadores
que debe ser sobrepasada para que un portador de carga se difunda a través de la juntura
Niveles de energía
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Juntura PN polarización directaJuntura PN – polarización directa
Al l i d di t t lAl ser polarizada directamente la juntura PN, el potencial de juntura disminuye.
Los electrones se difunden h i l ió P lhacia la región P y las lagunas hacia la región N
La corriente de difusión es la dominanteCorriente de difusión
C i t d d l i t
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Corriente de desplazamiento
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Juntura PN polarización inversaJuntura PN – polarización inversa
La barrera de potencial aumenta.
El campo electrico se intensificaEl campo electrico se intensifica.
La capa de depleción se ensancha.
La corriente de difusión se hace cercanaLa corriente de difusión se hace cercana a cero
Corriente de difusiónCorriente de difusiónCorriente de desplazamiento
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Juntura PNJuntura PN
EQUILIBRIO
Polarización directa
Polarización inversaPolarización inversa
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