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Capítulo 1 Los Semiconductores

1. El factor humano de la electrónica Como suele suceder, los avances de la ciencia no necesariamente conllevan un avance tecnológico significativo. Muchas veces la teoría científica marca caminos de solución de un problema, pero la tecnología no está en condiciones de integrar esa ciencia, y no es sino hasta pasados muchos años en que la tecnología puede acoger esos principios científicos y solucionar el problema. La ingeniería es la sistematización de un conjunto de conocimientos científicos y técnicos que permiten controlar la materia y las fuentes de energía para desarrollar formas eficientes de utilización en beneficio de la persona humana. Una de esas fuerzas naturales es la corriente o intensidad eléctrica, que consiste en el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material, y se debe al movimiento de electrones dentro de un determinado material. Es frecuente que con el paso de los años, y la fragilidad de la memoria y la ingratitud humanas, nos olvidemos de las personas que con su trabajo científico esforzado aportaron luces sobre algunas propiedades de la materia y la energía, proponiendo modelos físicos para emplearlos en el control de esa materia y energías en beneficio de la humanidad. Los descubrimientos científicos se alcanzan por la esperanza - del investigador – de que existe un orden que gobierna la naturaleza, y que la razón humana está en condiciones de conocer parte de ese orden aparentemente cubierto a los ojos humanos. La misma palabra “descubrir” hace referencia a sacar de la sombra aquello que antes se encontraba cubierto. La herramienta que apoya las formulaciones de la materia y la energía es la matemática, una creación de la razón humana y como tal imperfecta, que ayuda a demostrar mediante modelos matemáticos las leyes de la naturaleza. En esa línea, las bases científicas que gestaron la electrónica actual se debe al trabajo esforzado de muchos científicos, siendo los precursores: Maxwell, Braun, Edison, Tesla, Thompson y Marconi. Los resultados de sus trabajos científicos fueron presentados dentro de un lapso

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muy breve en nuestra historia: apenas veinticinco años (1871-1896), antecediendo al extraordinario trabajo presentado por Fleming, veamos1: 1871 – Ecuaciones de Maxwell - MAXWELL

James Clerk Maxwell (1831-1879), estableció las ecuaciones que describen el comportamiento de la electricidad y el magnetismo. Descubrió las ecuaciones “ecuaciones de Maxwell”, que se definen como las relaciones fundamentales entre las perturbaciones eléctricas y magnéticas, y permiten describir la propagación de las ondas electromagnéticas de comportamiento similar a las ondas luminosas.

1874 – Cristales semiconductores - BRAUN

Carl Ferdinand Braun (1850 - 1918), en 1874, observó que ciertos cristales semiconductores actuaban como rectificadores, convirtiendo la corriente alterna en continua, permitiendo el paso de la corriente en una sola dirección. Desde 1898 también trabajó en la telegrafía sin hilos, inventando el rectificador de cristal. Marconi admitió haber "tomado prestada" la patente de Braun. En 1909 recibió el Premio Nobel de Física, junto con Marconi, por sus contribuciones al desarrollo de la telegrafía sin hilos y los circuitos resonantes magnéticamente acoplados.

1883 – Efecto Edison - EDISON

Thomas Alva Edison (1847-1931), quien en 1883, mientras estudiaba sus bombillas e insertó una placa de metal cerca de un filamento descubriendo empíricamente que había un flujo de electricidad en la placa cuando ésta estaba enganchada al terminal positivo de la bombilla, pero no sucedía lo mismo con el terminal negativo. Como este efecto no era significativo para su experimento de la bombilla, lo anotó, y se desentendió de él. Edison registró como suyos algunos trabajos que le pertenecían a Nikola Tesla.

1 Las Fotografías históricas de este apartado se han obtenido a través de Google Imágenes en Wikipedia y se han

reutilizado según: http://commons.wikimedia.org/wiki/Commons:Reusing_content_outside_Wikimedia

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1894 - La Radio, TESLA Nikola Tesla (1856–1943), fue ingeniero mecánico e ingeniero eléctrico. Las patentes de Tesla y su trabajo teórico formaron las bases de los sistemas modernos de potencia eléctrica por corriente alterna (CA), incluyendo el sistema polifásico de distribución eléctrica y el motor de corriente alterna. Tras su demostración de comunicación inalámbrica por medio de ondas de radio en 1894 fue reconocido como uno de los más grandes ingenieros eléctricos. Después de trabajar varios meses mejorando los diseños de los generadores de corriente continua, y mientras le terminaba varias patentes, descubrió que Edison las estaba registrando como propias. Durante mucho tiempo tuvo que someterse a procesos judiciales con Marconi para ejercer su derecho como inventor de la radio. En la década de los sesenta el Tribunal Supremo de los Estados Unidos dictaminó que la patente relativa a la radio era legítimamente propiedad de Tesla, reconociéndolo de forma legal como inventor de ésta, aunque sigue considerando a Marconi como su inventor.

1896 – Descubrimiento del electrón – THOMSON

Joseph John Thomson (1856-1940). Encontró que esa relación carga/masa era más de mil veces superior a la del ión Hidrógeno, por lo que dedujo que las partículas en movimiento eran muy livianas o muy cargadas, a las que llamó corpúsculos, concluyendo que los rayos catódicos estaban hechos de partículas que procedían de dentro de los átomos de los electrodos, afirmando que los átomos son divisibles. Fue descubridor del electrón, de los isótopos. En 1906 fue galardonado con el Premio Nobel de Física.

1896 – Propagación de Ondas, MARCONI

Guglielmo Marconi (1874-1937). Realiza algunos de los primeros experimentos acerca del empleo de ondas electromagnéticas para la comunicación telegráfica sin hilos utilizando los trabajos de Nikola Tesla. En 1896 los resultados de estos experimentos fueron aplicados para comunicar Penarth y Weston en Gran Bretaña. Con el descubrimiento del electrón, a Marconi le quedó claro que la placa de metal de un tubo de vacío tenía la capacidad para absorber electrones calientes.

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1904 – Válvula termoiónica o diodo – FLEMING

John Ambrose Fleming (1848 - 1945). Los primeros intentos por controlar la corriente eléctrica se dieron en 1904. Fleming, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison en 1883, e impulsado por Marconi, inventó el diodo o válvula termoiónica. Fue la persona que trabajó como hilo conductor entre los aportes científicos anteriores. Éste

momento es considerado el inicio de la electrónica, por cuyo mérito Fleming recibió de la corona británica el título de “sir” en 1929. Fleming rodeó con una pieza cilíndrica metálica, llamada placa, el filamento dentro de la ampolla de una válvula de vacío. Esa placa podía actuar en dos formas:

Si estaba cargada positivamente, atraía hacia sí a los electrones despedidos por el filamento incandescente creando así un circuito eléctrico cerrado.

Pero si su carga es negativa, repele a los electrones impidiendo la corriente.

Cuando se conecta esa placa con una fuente de corriente alterna, durante el semiperiodo positivo en dirección directa, la placa adquiere carga positiva y deja pasar la corriente hasta el tubo; cuando la corriente alterna cambia de dirección, la placa se carga negativamente, y entonces no fluye ninguna corriente hacia el tubo.

Ilustración 1 Tubos de vacío termoiónicos diodos y tríodos

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De este modo, la placa deja pasar la corriente sólo en una sola dirección transformando la corriente alterna en continua. Por actuar dicho tubo como una válvula respecto a la corriente, se le denominó “válvula”. Por aquellos años en Estados Unidos sigue denominándose, simplemente “tubo”, aunque la comunidad científica mundial lo denomina DIODO, porque tiene dos electrodos: el filamento y la placa. Después del descubrimiento de Fleming, se despertó el interés militar impulsado esencialmente por la tecnología de radares y de las comunicaciones. Se construye así el precursor del transistor, denominado tríodo, interponiendo una rejilla entre el ánodo y el cátodo del tubo termoiónico de Fleming. Pasaron cuarenta y dos años de trabajo científico desde el descubrimiento de Fleming, y en 1946 el Laboratorio de Investigación Balística del Ejército de los Estados Unidos presentó el primer computador denominado Electronic Numerical Integrator And Computer ( ENIAC ), el que por las dimensiones de sus tubos de vacío y la necesidad de dispar su calor, ocupaba una gran habitación.

1947 - El Transistor – BARDEEN, BRATTAIN y SHOCKLEY

El transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes recogiendo los trabajos de Fleming y sus contemporáneos, inventaron el primer transistor de estado sólido, obteniendo el Premio Nobel de Física en 1956. Fue el sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos, o triodo.

John Bardeen Walter Houser Brattain William Bradford Shockley

Ilustración 2 Inventores del Transistor de estado sólido

Desde el 23 de diciembre de 1947, que se desarrolló el primer transistor, hasta el día de hoy, el crecimiento y evolución de la electrónica ha sido cada vez más rápido, tanto así que en la actualidad, la sola idea de tubos de vacío, o computadoras de dimensiones de varios metros cuadrados, suena tan lejano, que hasta llega a ser increíble para un estudiante de ingeniería de primeros años. La

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rápida evolución del tubo de vacío al estado sólido, justamente es la responsable de esa idea.

Ilustración 3 Primer transistor de estado sólido, Bardeen, Brattain y Shockly

1951 – Transistor de unión bipolar - SPARKS

Morgan Sparks (1916 - 2008) fue un científico e ingeniero estadounidense que ayudó a desarrollar el transistor de unión bipolar en 1951, lo que fue un paso crítico en la fabricación de transistores usables para la electrónica diaria.

Ilustración 4 Primer transistor bipolar de unión - BJT

Sparks trabajó en los Laboratorios Bell donde John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley estaban desarrollando el primer transistor. Permaneció en los Laboratorios Bell para desarrollar el transistor de unión bipolar “microvatio” que ayudó a hacer los transistores lo suficientemente prácticos para la ingeniería de

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uso común. Sin su invención sería muy difícil que hoy estuviéramos donde estamos en el mundo de la tecnología, ya que el transistor fue el sustituto inmediato de las hasta entonces usadas válvulas termoiónicas, más conocidas como válvulas de vacío.

Ilustración 5 Reducción del tamaño de los circuitos con el paso de los años

Transcurrieron casi treinta y tres años entre la presentación del trabajo de Maxwell (1871) hasta el de Fleming (1904), y cuarenta y tres años desde el de Fleming hasta el de John Bardeen, Brattain y Shockley (1947), y cuatro años más para el aporte de Sparks (1951), casi ochenta años de trabajo en total.

A partir de los trabajos descritos, la comunidad científica internacional trabaja en encontrar nuevos materiales que faciliten el control de la corriente eléctrica a frecuencias cada vez mayores. Por lo tanto, es de justicia reconocer y agradecer el trabajo bien hecho de estos ocho ingenieros y físicos de diversas naciones que dedicaron gran parte de su vida a desarrollar el fundamento que ha permitido el que hoy disfrutemos de la tecnología en casi todos los ámbitos de la vida humana.

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2. Conceptos básicos

2.1 Conductividad y Resistividad:

Se le llama resistividad al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos a través de un material. La resistividad se designa con la letra griega rho (ρ), y está directamente relacionado con el material y la temperatura a la que se encuentra. Por ejemplo el cobre a temperatura ambiente (20°C a 25°C) tiene una resistividad de y aumenta con la temperatura. Este valor nos brinda información sobre la oposición que ofrece un material al paso de la corriente. Por el contrario, la conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo para permitir el paso de los electrones, los cuáles al moverse conforman una corriente eléctrica; siendo su magnitud igual a la inversa de la resistividad.

2.2 Resistencia: Es la forma como un objeto cuantifica su oposición al paso de corriente, estando fuertemente relacionado con la resistividad y la geometría del objeto, de la siguiente forma:

Donde es la longitud en la dirección paralela a la corriente que atraviesa el objeto y A es el área transversal del mismo.

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2.3 Conductor y Aislante

El sentido común nos dice que al haber distintos tipos de materiales, sus propiedades eléctricas pueden variar entre unos y otros. Desde el punto de vista eléctrico podemos denomina como aislantes a los materiales que presentan gran resistencia al paso de las cargas eléctricas, y denominar conductores a los que tienen cargas libres para moverse con facilidad a través del material. El núcleo de un átomo de material conductor atrae los electrones orbitales, y estos no caen hacia el núcleo debido a la fuerza centrífuga creada por su movimiento orbital.

Ilustración 6 Modelos del átomo a lo largo de la historia

Cuando un electrón se halla en su órbita estable, la fuerza centrífuga esta en equilibrio con la atracción eléctrica ejercida por el núcleo. En las órbitas más alejadas, es necesaria una menor fuerza centrífuga para contrarrestar la atracción ejercida por el núcleo. La menor fuerza de atracción se dará en la órbita exterior, y como ésta es tan débil, este electrón recibe el nombre de “electrón libre”, el cual puede ser arrancado fácilmente por una fuerza externa. Aún la tensión más pequeña puede hacer que los electrones libres de un conductor de cobre se muevan de un átomo al siguiente, siendo éste el principio de la conductividad. Los mejores conductores (plata, cobre y oro) tienen un único electrón de valencia.

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2.4 Enlace Covalente:

El enlace covalente es aquel que une dos átomos haciendo que éstos compartan pares de electrones dando lugar a diversas moléculas. Se realiza cuando existe electronegatividad polar entre los átomos, pero la diferencia de ésta no es lo suficientemente grande como para que haya transferencia de electrones, se produce el enlace covalente.

Ilustración 7 Enlace covalente

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3. Materiales Semiconductores

3.1 Definiciones

Un semiconductor es un elemento con valencia 4, esto quiere decir que un átomo aislado de semiconductor tiene 4 electrones en su orbita de valencia. El numero de electrones en la orbita de valencia es clave para la conductiva eléctrica. Un Semiconductor es un material que posee un nivel de conductividad que se localiza entre los extremos de un aislante (8 electrones de valencia) y los conductores (1 electrón de valencia).

Silicio (Si):

El átomo de silicio posee 14 protones y 14 electrones, de tal forma que en la primera orbita contiene 2 electrones, la segunda contiene 8 y dejando en la última orbita 4 electrones (característica del semiconductor). El silicio es el material semiconductor mas ampliamente utilizado.

Ilustración 8 Átomo de Silicio

En un cristal de silicio2, cada átomo de Si se enlaza covalentemente con cuatro átomos de Si vecinos. Al hacer esto cada dos átomos vecinos comparten un electrón, con un

2 El silicio es un elemento químico metaloide, número atómico 14 y situado en el grupo 4 de la tabla periódica de los elementos

formando parte de la familia de los carbonoideos de símbolo Si. Medido en peso el silicio representa más de la cuarta parte de la

corteza terrestre y es el segundo elemento más abundante por detrás del oxígeno. El silicio no se encuentra en estado nativo; arena, cuarzo, amatista, ágata, pedernal, ópalo y jaspe son algunas de los minerales en los que aparece el óxido, mientras que formando

silicatos se encuentra, entre otros, en el granito, feldespato, arcilla, hornblenda y mica.

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total de 8 electrones en la órbita más alejada del núcleo, donde se encuentran los electrones de valencia, y por ello denominada órbita de valencia. Este hecho genera fuerzas iguales y opuestas, constituyendo un enlace estable.

Germanio (Ge):

El átomo de silicio posee 32 protones y 32 electrones, de tal forma que en la primera orbita contiene 2 electrones, la segunda contiene 8, en la tercera contiene 18 y dejando en la última órbita 4 electrones (característica del semiconductor).

Ilustración 9 Átomo de Germanio

Algunas de las características únicas del Ge y Si, son el resultado de su estructura atómica. Los átomos de ambos materiales organizan un patrón bien definido que por naturaleza es periódico. Un patrón completo se denomina Cristal y el arreglo periódico de los átomos se denomina red. Para el caso del Ge y Si, el cristal presenta la estructura tridimensional del diamante. Cualquier material compuesto únicamente de estructuras cristalinas repetidas del mismo tipo se denomina estructura de monocristal.

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Cristales Semiconductores:

Cuando los átomos un semiconductor como el silicio o el germanio se combinan para formar un sólido, organizan un patrón bien definido que por naturaleza es periódico, es decir se repite periódicamente. Un patrón completo se denomina cristal y el arreglo periódico de los átomos se denomina red. Para el caso del Si y Ge, el cristal presenta la estructura tridimensional del diamante de la figura 1. Cada átomo comparte sus electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal forma que tiene 8 electrones en la órbita de valencia. Cuando un átomo posee 8 electrones en su órbita de valencia, se vuelve químicamente estable. Aunque el átomo central tenía originalmente 4 electrones en su órbita de valencia, ahora tiene 8 electrones en esa órbita. Esto es apreciable en la figura 2.

Ilustración 10 El átomo de silicio

Cualquier material compuesto únicamente de estructuras cristalinas repetidas del mismo tipo se denomina estructura monocristal, siendo esta una característica de los materiales semiconductores de aplicación práctica en el campo de la electrónica. Además se observa que la periodicidad de su estructura no se altera mucho con la adición de impurezas en el proceso de dopado.

Las vibraciones de los átomos de silicio pueden, ocasionalmente hacer que se desligue un electrón de la órbita de valencia. Al suceder esto, el electrón que es liberado gana la engería suficiente para situarse en una órbita mayor. En dicha órbita el electrón es un electrón libre, y además su salida deja un vació, el cual se denomina hueco.

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Bandas de Engería: Algunos de los fenómenos más importantes de los semiconductores se pueden explicar empleando el modelo de bandas de energía. Este modelo se basa en que los electrones de un mismo nivel de energía se encuentran en estados energéticos ligeramente diferentes. Es por ello que no es correcto hablar de capas de energía sino que más bien de bandas de energía. Estas bandas se siguen los siguientes principios:

Los electrones poseen niveles de energía de valor discreto pues se mueven en

distintas trayectorias respecto del núcleo.

Los electrones tienden siempre a ocupar los niveles de energía más bajos.

En cada nivel de energía el número de electrones no puede ser mayor al número

de estados cuánticos.

Principio de Exclusión de Pauli: solo un electrón puede ocupar un estado cuántico.

Para el estudio de los fenómenos presentes en la electrónica nos ocuparemos de las dos

últimas bandas de energía. Estas son la banda de valencia y banda de conducción las

cuales a su vez están separadas por la banda prohibida como se aprecia en la ilustración 3

Ilustración 11

Es interesante comparar las bandas de energía de los materiales vistos (conductores, semiconductores y aislantes) ya que permite entender el comportamiento de estos materiales y la importancia de la banda prohibida. Como se observa en la ilustración 4 en los aislantes las bandas de conducción y de valencia están separadas por una banda prohibida muy grande; esto significa que será necesaria mucha energía para hace pasar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción. Por el contrario en los conductores las bandas de conducción y de valencia están superpuestas y no existe banda prohibida por lo que será muy fácil que se de la conducción eléctrica. El tercer material es el semiconductor que presenta una banda prohibida relativamente pequeña y que por lo tanto necesitará mucha energía para conducir la electricidad.

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Ilustración 12

Semiconductores Intrínsecos:

Es un material semiconductor de un cristal sin ningún otro tipo de átomos dentro del cristal, es decir puro. A temperatura ambiente se comporta como un aislante porque solo tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la energía térmica, mientras que a cero grados Kelvin no existen electrones libres. En un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente total resultante sea cero, debido a que por acción de la energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares, es decir hay tantos electrones libres como huecos. Definiremos como la concentración de portadores intrínsecos, y se halla mediante la siguiente ecuación:

Ecuación 1

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Donde B es una constante relacionada con el material, T es la temperatura (Kelvin), es el nivel de energía entre bandas (eV) y k es la constante de Boltzman

( . Algunos valores de B y se muestran en la siguiente tabla:

Material (eV)

Silicio (Si) 1.1 5.23*

Arseniuro de Galio (GaAs) 1.4 2.10*

Germanio (Ge) 0.66 1.66* Tabla 1

Desde el punto de vista de bandas de energía un semiconductor intrínseco tendría la estructura mostrada en la ilustración 4. La energía térmica hace saltar algunos electrones de la banda de valencia a la banda de conducción generando unos pocos huecos y electrones libres en pares. Por ello se puede observar que el semiconductor intrínseco posee la misma cantidad de huecos que de electrones libres. Además los huecos se localizan en la banda de valencia y los electrones libres en la banda de conducción.

Ilustración 13

Dopado de un Semiconductor: El dopado es una forma de aumentar la conductividad eléctrica de un conductor, y consiste en añadir deliberadamente átomos de impurezas a un cristal intrínseco. El proceso consiste en fundir un cristal puro de silicio para romper los enlaces covalentes y cambiar el estado del silicio del sólido. En el caso de querer aumentar el número de electrones libres se añaden átomos pentavalentes al silicio fundido. Como estos materiales donarán un electrón extra un electrón extra al cristal de silicio se les conoce como impurezas donadoras.

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Semiconductores Extrínsecos:

Debido a que las concentraciones de electrones y huecos en un semiconductor intrínseco son relativamente pequeñas, sólo son posibles corrientes muy pequeñas. Sin embargo estas concentraciones pueden aumentarse de manera considerable al añadir cantidades controladas de ciertas impurezas. Una impureza deseable es aquella que entra a la estructura cristalina y reemplaza (sustituye) uno de los átomos del semiconductor, aún cuando el átomo de la impureza no tiene la misma estructura d electrones de valencia. Un semiconductor extrínseco, es aquel que posee impureza con la finalidad de aumentar la conductividad eléctrica. Si el material posee impurezas, se dice que esta dopado y el tipo de impurezas pueden ser elementos trivalentes o pentavalentes, con lo cual se puede diferencia dos tipos:

Semiconductores extrínsecos tipo n:

Son los que están dopados, con elementos pentavalentes, como por ejemplo (As, P, Sb). Que sean elementos pentavalentes, quiere decir que tienen cinco electrones en la última capa, lo que hace que al formarse la estructura cristalina, un electrón quede fuera de ningún enlace covalente, quedándose en un nivel superior al de los otros cuatro. Como consecuencia de la temperatura, además de la formación de los pares electrón-hueco, se liberan los electrones que no se han unido. 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 las llama donadoras. En cuanto a la conductividad del material, esta aumenta de una forma muy elevada, por ejemplo; introduciendo sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es 24100 veces mayor que la del silicio puro.

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Ilustración 5. Representación de dos dimensiones de una estructura de silicio dopada con elemento de 5 electrones de valencia.

Esto se puede visualizar en el esquema de bandas de energía de la ilustración 6. Como es de esperarse este tiene mayor número de electrones libres en la banda de conducción que huecos en la banda de valencia debido a que los primeros son los portadores mayoritarios y los segundos los minoritarios.

Ilustración 6.

Semiconductores extrínsecos tipo p:

En este caso son los que están dopados con elementos trivalentes, (Al, B, Ga, In). El hecho de ser trivalentes, hace que a la hora de formar la estructura cristalina, exista un número insuficiente de electrones para completar los enlaces covalentes de la red recién formada dejando una vacante con un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia, pues no existe el cuarto electrón que lo rellenaría.

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Esto hace que los electrones salten a las vacantes con facilidad, dejando huecos en la banda de valencia, y siendo los huecos portadores mayoritarios.

Ilustración 7. Representación en dos dimensiones de una estructura de silicio dopada con un átomo de 3 electrones de valencia.

Si observamos este tipo de semiconductor desde el modelo de bandas de energía se puede apreciar que hay más huecos en la banda de valencia que electrones libres en la banda de conducción como se aprecia en la ilustración 6. Esto se debe a que además de los pares hueco- electrón libre creados por efectos térmicos hay huecos adicionales generados por la presencia de impurezas aceptadoras.

Ilustración 8

La unión PN

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Un semiconductor, sea de tipo n o de tipo p, no tiene más importancia que una resistencia. Sin embargo, si al cristal se le agregan impurezas de tal manera que la mitad sea de tipo n y la otra mitad de tipo p, aparece el efecto diodo. La separación o frontera física entre un semiconductor tipo n y uno tipo p se llama unión pn, también denominada como zona de deplexión.

Ilustración 9

Bajo condiciones sin polarización (sin un voltaje aplicado), cualquier portador minoritario (hueco) en el material tipo n que se encuentre dentro de la frontera pn fluirá directamente hacia el material tipo p.

Zona de Deplexión La repulsión mutua entre los electrones libres en el lado n, tiende a dispersarlos en cualquier dirección, ocasionando que algunos de estos se difundan atravesando la unión. Cuando un electrón libre entra en la región p se convierte en un portador minoritario, que estará rodeado de huecos, por lo que este electrón libre tendrá un tiempo de vida corto, ya que poco después de de entrar en la región p se recombinará, convirtiéndose en un electrón de valencia. Cada vez que el electrón abandona el lado n deja un átomo pentavalente al que le falta una carga negativa, convirtiéndose en un ion positivo. Algo análogo sucede cuando un electrón cae en un hueco en el lado p, el átomo trivalente que lo ha capturado se convierte en un ion

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negativo. Por lo tanto cada vez que un electrón se difunde crea un par d iones, lo cual es apreciable en la ilustración 9. Cada par de iones positivo y negativo se llama dipolo. Al aumentar el número de dipolos, la región cercana se va quedando sin portadores, siendo esta, la zona de deplexión.

Barrera de Potencial

Existe un campo eléctrico entre los iones positivo y negativo de cada dipolo formado. Por lo tanto este campo eléctrico tratará de devolver los electrones libre adicionales que intenten entrar en la zona de deplexión a la zona n. Este campo eléctrico será proporcional al número de electrones que atraviesen la zona de deplexión, por lo tanto luego de cierto tiempo terminará por detener la difusión de electrones a través de la unión. Este campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada barrera de potencial, la cual es aproximadamente 0.3 V para el Germanio y 0.7 V para el Silicio.

Polarización Directa: Se explicara mediante el uso de una fuente de corriente continua conectada a un diodo (este término quedo definido anteriormente como la unión de las zonas p y n en un solo elemento) ; el terminal negativo de la fuente está conectado al material tipo n, mientras que el terminal positivo se conecta al material tipo p; a esta forma de conexión se denomina Polarización Directa.

Ilustración 9

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Flujo de Electrones Libres Debido a esta configuración, la batería empuja a los huecos y a los electrones libres hacia la zona de unión. Además, hay que prestar atención en la medida de tensión; ya que si esta no es mayor que la barrera de potencial, los electrones libre no poseerán la suficiente energía para atravesar la zona de deplexión. Por lo tanto si no se supera la barrera de potencial, no circulará corriente por el diodo, ya que cuando los electrones entre en la zona de deplexión, no la atravesaran sino que los iones se ven empujados de regreso a la Zona n. Cuando el voltaje es mayor a la barrera de potencial, los electrones libres y los huecos son empujados a la zona de deplexión, pero esta vez los electrones libres si cuenta con la suficiente energía para pasar dicha zona y recombinarse con los huecos; ahora como los electrones libres entran continuamente por el extremo derecho del diodo, y continuamente se crean hueco en el extremo izquierdo, existirá una corriente que circula por el diodo.

Flujo del Electrón:

Observemos más detenidamente lo que le sucede al electrón: Tras abandonar el terminal negativo de la fuente, entra por el extremo derecho del cristal y se desplaza a través de la zona n como electrón libre. En la unión se recombina con un hueco y se convierte en electrón de valencia. Luego se desplaza a través de la zona p como electrón de valencia, saltando a través de los huecos y tras abandonar el extremo izquierdo del cristal fluye al terminal positivo de la fuente.

Ilustración 10

Si ahora aplicamos a dicha unión una tensión de signo contrario a la barrera de potencial interna, ésta irá disminuyendo en anchura. A mayor tensión aplicada externamente corresponderá una barrera interna menor y podremos llegar a conseguir que dicha barrera desaparezca totalmente.

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Polarización Inversa: Si se invierte la polaridad de la fuente continua, el diodo se polariza en inversa. Esto se logra conectando el terminal negativo de la batería al lado p y el terminal negativo ala lado n. A esta conexión se le denomina “Polarización Inversa”.

Ensanchamiento de la Zona de Deplexión:

El terminal negativo de la fuente atrae los huecos, y el terminal positivo atrae los electrones libres, por ellos los huecos y los electrones libres se alejan de la unión; como consecuencia la zona de deplexión se ensancha y los iones recién creados hacen que aumente la diferencia de potencial hasta que iguale a la tensión inversa aplicada.

Ilustración 11

Al ir aumentando esta tensión inversa llega un momento en que el diodo pierde su capacidad de bloqueo y fluye entonces una gran corriente inversa. Esta tensión recibe el nombre de "tensión de ruptura". Normalmente en esta situación el diodo se destruye.

Corrientes en Polarización Inversa:

En esta situación tenemos que tener en cuenta la generación térmica de pares electrón-hueco. Los pocos electrones generados térmicamente pierden energía y bajan de p a n, es la "Corriente Inversa de Saturación" (IS) que es muy pequeña. Además de esta corriente tenemos otra corriente debida a las fugas, que se denomina "Corriente de Fugas" (If).

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Entonces la corriente resultante en polarización inversa, será la suma de Corriente Inversa de Saturación y la Corriente de Fugas.

Ruptura: Cuando se polariza en inversa, se tiene que tener en cuenta una tensión inversa de ruptura, que es la máxima tensión en sentido inverso que puede soportar un diodo sin entrar en conducción; esta tensión para un diodo es destructiva, ya que cuando alcanza dicha tensión una gran cantidad de portadores minoritarios aparecen repentinamente en la zona de deplexión y el diodo conduce descontroladamente. Esta gran cantidad de portadores minoritarios, son producidos por el efecto avalancha que se da en presencia de elevadas tensiones inversas.

Cuando la tensión inversa disminuye, provoca que los portadores minoritarios se muevan más rápido, chocando de esta forma con los átomos de cristal. Si dichos portadores tienen la energía suficiente pueden golpear a los electrones de valencia y liberarlos, y aumentar el número de electrones libres que a su vez provocaran la liberación de otros electrones de valencia, de ahí viene el nombre de Efecto Avalancha.

Ilustración 12

Efecto Zener:

El efecto zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que debido a la característica constitución de los mismos originan fuertes campos eléctricos que causan la ruptura de los enlaces entre los átomos dejando así electrones libres capaces de establecer la conducción. Su característica es tal que una vez alcanzado el valor de su tensión inversa nominal y superando la corriente a su través un determinado valor mínimo, la tensión en los bornes del diodo se mantiene constante e independiente de la corriente que circula por él.

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4. Otro tipo de materiales:

Materiales Superconductores:

Sin duda algún día habrá trenes levitados en diversas partes del mundo, es decir, que “flotarán” sobre sus rieles sin rozarlos al avanzar y por lo tanto podrán alcanzar velocidades similares a las de un avión. Los que hoy son jóvenes, muy probablemente lo verán. Esto será posible gracias a la superconductividad, la cual ya tiene aplicaciones prácticas en algunos países con tecnología más avanzada que la nuestra. ¿Qué es la superconductividad? Esta pregunta se la formula Luis Fernando Magaña Solís en el Libro “Los Superconductores”, aparecido con el número 64 de la colección “La ciencia desde México” del Fondo de Cultura Económica y se contesta: “Es un estado de la materia, como lo es el estado líquido o el estado sólido, en el cual no existe resistencia eléctrica. Esto significa que no hay pérdida de energía al pasar la corriente eléctrica por un material superconductor. Pero no es sólo eso, sino que, además, no permite que el campo de fuerza de un imán penetre en su interior (esto último se conoce como efecto Meissner). Esta combinación de efectos eléctricos y magnéticos recibe el nombre de estado Superconductor”. ¿Cómo se llegó a descubrir la superconductividad? Bueno, como nos lo explica Magaña Solís, fue un proceso muy largo de estar investigando y experimentando. Comenzó con la licuefacción de los gases, la cual se inició allá por 1845. Aquel proceso se fue desarrollando poco a poco, y ya en sí, la superconductividad es descubierta en 1911 por el doctor H. K. Onnes, de la Universidad de Leyden, Holanda, lo cual le valió el premio Nobel de Física en 1913. Continuaron los avances, pero no es sino hasta fechas recientes que se enuncia la teoría de la superconductividad, que, nos dice Magaña Solís “se basa en la existencia de los llamados pares de Cooper, que son parejas de electrones ligados entre sí y que se forman por la interacción atractiva del tipo paso adelante con el descubrimiento de los materiales superconductores cerámicos en los cuales se simplifica mucho el alcanzar la temperatura de transición al estado superconductor. Por los avances en la superconductividad, sus sustentadores merecieron el premio Nobel de Física de 1972 y de 1987 respectivamente. Toda esa historia es la que nos cuenta Magaña Solís hasta llegar a la época actual en la cual la superconductividad ya tiene una aplicación práctica, aunque limitada, pudiéndose decir que cuando se aplique en forma extensiva, sin duda cambiará la forma de vida de la humanidad.

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Entre las posibles aplicaciones de la superconductividad se encuentra la producción de grandes campos magnéticos y dentro de las aplicaciones de los electroimanes superconductores esta la levitación, es decir, utilizar una fuerza magnética para hacer “flotar” vehículos de transporte masivo. Nos dice Magaña Solís que: “Hay, esencialmente, dos métodos posibles para conseguir la levitación. Uno corresponde a la utilización de un sistema atractivo y el otro a un sistema repulsivo”. Y enseguida nos aclara que, en su opinión, el sistema de levitación por repulsión, es el que presenta mejores perspectivas.

Aunque mucho menos espectacular que ver “flotar” un tren, otra de las aplicaciones de la superconductividad es la fabricación de cables transportadores tanto de energía eléctrica como de información sin que haya pérdidas de energía en el trayecto como sucede actualmente. Así mismo, tendrá aplicación en la biología, la medicina y la química y en la construcción de circuitos de computadoras. Tan importante es la superconductividad, dice por último Magaña Solís, que incluso países del llamado Tercer Mundo, la India y China, cuentan con un programa muy ambicioso en este campo. Colección “La ciencia desde México” No.64

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5. Cuestionario

1. ¿Qué es un semiconductor?

2. ¿Cuál es la diferencia entre un semiconductor intrínseco y uno extrínseco?

3. Dibuje la estructura atómica del cobre y discuta porque se trata de un buen

conductor y de qué forma su estructura es diferente a la del germanio y silicio.

4. Describa las diferencias entre los materiales semiconductores tipo n y tipo p.

5. ¿Qué es la banda prohibida en un semiconductor?

6. ¿Qué son las bandas de energía?

7. Describa las diferencias entre impurezas donadoras y aceptadoras.

8. Describa las diferencias entre portadores mayoritarios y minoritarios.

9. ¿Qué es la barrera de potencial un una unión PN?

10. ¿Cuántos y cuáles son los tipos de polarización? ¿Qué diferencia presentan?

11. Explica cómo se genera un electrón libre en un semiconductor, a partir del dopado

con una impureza donadora.

12. Si a un semiconductor puro (intrínseco) le introducimos dos impurezas donadoras,

¿seguirá siendo eléctricamente neutro? Fundamente.

13. ¿La conductividad de un material varia con respecto a la temperatura? Si es así,

Explique.

14. Calcule la concentración de portadores intrínsecos en el Silicio a T= 350 K.

15. Hallar la temperatura de GaAs si la concentración de portadores intrínsecos es

.

16. Si se usa la polarización inversa, ¿existe algún riesgo para el material?