SEMICONDUCTORES

SEMICONDUCTORES Introduccin.- Para comprender cmo funciona los diodos, transistores y circuitos integrados es necesario estudiar los materiales semiconductores que no se comportan ni como conductores ni como aislantes. Los semiconductores poseen algunos electrodos libres, pero lo que les confiere un carcter especial es la presencia de huecos. En este captulo aprender conceptos relacionados con los semiconductores y sus propiedades ms relevantes.1. ConductoresEl cobre es un buen conductor. La razn es evidente si se tiene en cuenta su estructura atmica, como se ve en la Fig. 2-1. El ncleo o centro del tomo contiene 29 protones (cargas positivas). Cuando un tomo de cobre tiene una carga neutra, 29 electrones (cargas negativas) circulan alrededor del ncleo, como los planetas alrededor del sol.1.1. Orbitas establesEl ncleo positivo en la Figura 2.1 atrae los electrones orbitales. Estos no caen hacia el ncleo a la fuerza centrfuga (hacia afuera) creada por su movimiento orbital. Cuando un electrn se halla e una rbita estable, la fuerza centrfuga equilibra extremadamente la atraccin elctrica ejercida por el ncleo. La fuerza centrfuga es menor en los electrodos ms lentos. Los electrodos de las rbitas ms alejadas del centro se mueven a menor velocidad que los electrodos de las rbitas ms alejadas del centro se mueven a menor velocidad que los electrodos de las rbitas ms cercanas.1.2. La parte interna del tomo y el electrn libreComo se puede apreciar en la fig. 2-1, el ncleo y los electrones de rbitas internas son de poco inters en el estudio de la electrnica.La atencin en la mayor parte de este libro estar puesta 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. Para un tomo de cobre, la parte interna de un ncleo (+29) y las tres primeras rbitas (-28).La parte interna de un tomo de cobre tiene una carga resultante de +1, porque tiene 29 protones y 28 electrones internos. Como el electrn de valencia se encuentra en una rbita exterior alrededor de la parte interna con una carga resultante de +1, la atraccin que sufre este electrn es muy pequea. Como la atraccin es tan dbil, este electrn recibe el nombre de electrn libre.2. SemiconductoresUn semiconductor es un elemento con valencia 4, lo que quiere decir que un tomo aislado de semmiconductor tiene 4 electrones en su rbita exterior o de valencia. El nmero de lectores en la rbita de valencia es clave para la conductividad elctrica. Los conductores poseen un electrn de valencia, los semiconductores tiene 4 y los aislantes 8 electrones de valencia.La etiqueta de semiconducores por s proporcionan una pista en cuanto a las caractersticas de este dispositivo. El prefijo semi se aplica por lo general a una gama de niveles que se encuentren a la mitad entre dos lmites.El trmino conductor se aplica a cualquier natural que soporte un generoso flujo de: Carga cuando se aplica una fuente de voltaje de magnitud limitada a travs de sus terminales. un aislantes es un material que ofrece un nivel muy pobre de conduccin bajo la tensin de una fuente de voltaje aplicada. Por lo tanto, un semiconductor es un material que tiene un nivel de conductividad situado entre los casos extremos de un aislante y un conductor.Los componentes semiconductores se fabrican principalmente de germanio y de silicio. Posteriormente, se empezaron a emplear tambin componentes de combinaciones de otros elementos, por ejemplo, de galio y arsenio (arseniuro de galio).Los tomos se componen del ncleo y de una serie de capas de electrones concntricas con l. Estas capas estn ocupadas por distinto numero de electrones segn cual sea la capa y el elemento qumico. 2.1. GermanioEl germanio es un ejemplo, se semiconductores. En la fig. 2-2 se muestra un tomo de germanio. En el centro se halla un ncleo con 32 protones. En este caso los electrones se distribuyen cono sigue: 2 electrones en la primera rbita, 8 en la segunda y 18 en la tercera. Los ltimos 4 electrones se localizan en la rbita exterior o de valencia.2.2. SilicioEl material semiconductor ms ampliamente utilizado es el silicio. Un tomo aislado de silicio tiene 14 protones y 14 electrones. Como puede apreciarse en el fig. 2-3, la primera rbita contiene 2 electrones, y la segunda contiene 8. Los 4 electrones se hallan en la rbita exterior.2.3. Conduccin de la corriente en los materiales semiconductoresEn la fig. 382 nos muestra que los materiales semiconductores presentan una conductividad elctrica menor que la de los metales pero mayor que la de los aisladores. Por ello, se denominan semicinductores los materiales como el germanio y el silicio.

2.4. La conectividad de los semiconductores depende de la temperatura.Cuando se aplica una tensin a un cristal semiconductor los electrones liberados se movern a travs del cristal en direccin al polo positivo de la fuente. En aquellos puntos, de los tomos donde se encontraban los electrones ya liberados faltan las cargas negativas. Estos puntos con defecto de electrones se denomina huecos. Como ahora la carga positiva del ncleo atmico es mayor que la del conjunto de sus electrones es mayor que la del conjunto de sus electrones resultar que los huecos aparecern siempre cargados positivamente. La carga positiva de un hueco es de igual valor absoluto que la carga negativa del electrn.3. CRISTALES DE SILICIOCuando los tomos de silicio se combinan para formar un slido se combinan para formar un slido, lo hacen formados una estructuras ordenas llamada cristal. Cada tomo de silicio comparte sus electrones de valencia con los tomos de silicio vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en la rbita de valencia, como se muestra en la fig. 2-4. Cuando un tomo posee 8 electrones en su rbita de valenia, como se parecia aqu, se vuelve qumicamente estable, los crculos sombreados representan las partes internas del silicio. Aunque el tomo central tena originalmente 4 electrones en su rbita de valencia, ahora tiene 8 electrones en esa rbita.3.1. Enlaces covalentesCada tomo vecino comprende un electrn con el central. De esta forma, el tomo central parece tener 4 electrones adicionales, sumando un total de 8 electrones en su rbita de valencia. En realidad, los electrones dejan de pertenecer a un solo tomo, ya que ahora estn compartidos por tomos adyacentes.En la fig. 2-4, cada parte interna presenta una carga de +4. Obsrvase la parte interna central y la que est a su derecha. Estas dos partes mantienen el par de electrones entre ellas atrayndolos con fuerzas iguales y opuestas. Este equilibrio entre las fuerzas es el que mantiene unidos a los tomos de silicio. La idea es similar a la del juego de tirar de la cuerda. Mientras lo equipos tiren con fuerza iguales y opuestas, permanecern unidos.3.2. No ms d 8 electrones de valenciaCada tomo en un cristal de silicio tiene 8 electrones en su rbita de valencia. Estos 8 electrones produce una estabilidad qumica que da como resultado un cuerpo compacto de material de silicio.La rbita de valencia no tiene capacidad para ms de 8 electrones por eso se dice que est llena o saturada cuando contiene 8 electrones. Adems, lo 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados por encontrarse fuertemente unidos en los tomos. Debido a estos electrones ligados, un cristal de silicio es casi un aislante perfecto a temperatura ambiente (aproximadamente 25C).3.3. La energa trmica puede crear huecosLa temperatura ambiente es la temperatura del aire circundante. Cuando la temperatura ambiente es mayor que el cero absoluto (-273C), la energa trmica del aire circundante hace que los tomos en un cristal de silicio vibren dentro del cristal. Cuando mayor sea la temperatura ambiente, ms intensas sern las vibraciones mecnicas de estos tomos.Las vibraciones de los tomos silicio pueden, ocasionalmente, hacer que se desligue un electrn de la rbita de valencia. Cuando sucede esto, el electrn liberado gana la energa suficiente para situarse en una rbita mayor, como se muestra en la fig. 2-5. En dicha rbita, el electrn es un electrn libre. Adems, la salida del electrn deja un vaco en la rbita de valencia.3.4. Recomendaciones y tiempo de vidaEn un cristal de silicio puro se crean igual nmero de electrones libres que de huecos debido a la energa trmica (calor). Los electrones libres se mueven de forma aleatoria a travs del cristal. En ocasiones, un electrn libre se aproximara a un hueco, ser atrado y caer hacia l. Esta unin de un electrn libre y un hueco se llama recombustin.El tiempo que transcurre entre la creacin y la desaparicin de un electrn libre recibe el nombre de tiempo de vida. Vara desde unos cuantos nanosegundos a varios microsegundos, segn la perfeccin del cristal y otros factores.5. Semiconductores IntensosUn semiconductor intenso es una semiconductor . un cristal de silicio es un semiconductor intenso si cada tomo del cristal es un tomo de silicio. A temperatura ambiente }, un cristal se silicio s comporta ms o menos como un aislante, ya que tiene solamente cuantos electrones libres y sus huecos producidos por excitacin trmica.4.1. Flujo de electrones libresLa fig. 2-6 muestra parte de un cristal de silicio entre dos placas metlicas cargadas . supngase que la energa trmica ha producido un electrn libre y un hueco. El electrn libre se halla en una rbita grande en el extremo derecho del cristal. Debido a la placa cargada negativamente, el electrn libre es repelido hacia la izquierda. Este electrn puede pasar de una rbita grande a la siguiente hasta alcanzar la placa positiva.4.2. Flujo de huecosObsrvese el hueco a la izquierda de la fig. 2-6. Este hueco atrae al electrn de valencia del punto A, lo que provoca que el electrn de valencia se mueva hacia el hueco. Esta accin no es la misma que la recombustin, en la cual un electrn libre cae en un hueco. En vez de un electrn libre, se tiene electrn de valencia movindose hacia un hueco.Cuando el electrn de valencia en el punto A se mueve hacia la izquierda, crea un nuevo hueco en el punto A. el efecto es el mismo que si el hueco original se desplazara hacia la derecha. El nuevo hueco en el punto A puede atraer y capturar otro electrn de valencia. De esta forma, los electrones de valencia pueden desplazarse a lo largo de la trayectoria indicada por las flechas. Esto quiere decir que el hueco se puede mover en el sentido opuesto a lo largo de la trayectoria A-B-C-D-E-F.5. Dos tipos de flujoLa fig. 2-7 muestra un semiconductor intrseco. Obsrvese que tiene el mismo nmero de electrones libres que de huecos. Esto se debe a que por accin de la energa trmica se producen los electrones libres y los huecos por pares. La tensin aplicada forzar a los electrones libres a circular hacia la izquierda y a los huecos hacia la derecha. Cuando los electrones libres llegan al extremo izquierdo del cristal, entran al conductor extremo y circulan hacia el terminal positivo de la batera. Por otra parte, los electrones libres en el terminal negativo de la batera fluirn hacia el extremo derecho del cristal. En este punto, entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo derecho del cristal. As se procede un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor.Dos tipos de flujo: el de los electrones libres en una direccin y el de los huecos en direccin opuesta. Los electrones libres y los huecos reciben a menudo la denominacin comn de portadores debido a que transportan la carga elctrica de un lugar a otro.6. Dopado de un semiconductorUna forma de aumentar la conductividad de un semiconductor es mediante el dopado. El dopado supone que deliberadamente se aadan tomos de impurezas a un cristal intrseco para modificar su conductividad elctrica.Un semiconductor dopado se llama semiconductor extrnseco.6.1. Aumento del nmero de electrones libresCul es el proceso de dopado de un cristal de silicio? El primer paso consiste en difundir un cristal puro de silicio de slido. Con el fin de aumentar el nmero de electrones libres, se aaden tomos pentavalentes al silicio fundido. Los tomos pentavalentes tiene 5 electrones e la rbita de valencia. El arsnico, antimonio y el fsforo son ejemplos de tomos pentavalentes. Como estos materiales donarn un electrn extra al cristal de silicio se les conoce como impurezas donadoras.La fig. 2-8 muestra cmo queda el cristal de silicio despus de enfriarse y volverse a tomar su estructura de cristal slido. En el centro se halla un tomo pentavalente rodeado por cuatro tomos de silicio. Como antes, los tomos vecinos comparten un electrn con el tomo central. Pero en este caso queda un electrn adicional. Recurdese que cada tomo pentavalente tiene 5 electrones de valencia, el electrn adicional queda en una rbita mayor. en otras palabras, se trata de un electrn libre.Cada tomo pentavalente, o donador, en un cristal de silicio produce un electrn libre. Un fabricante controla as la conductividad de un semiconductor dopado. Cuantas impurezas se aadan, mayor ser la conductividad. As, un semiconductor se puede dopar ligera o fuertemente. Un semiconductor dopado ligeramente tiene una grana resistencia elctrica y uno fuertemente dopado tiene una resistencia pequea.6.2. Aumento del nmero de huecosComo dopar un cristal de silicio para obtener un exceso de huecos?. La respuesta es que utilizando una impurezas trivalentes: es decir una impureza cuyos tomos tengan slo 3 electrones de valencia como por ejemplo el aluminio, el boro o el galio.La fig. 2-8b muestra un tomo trivalente en el centro. Esta rodado por cuatro tomos de silicio, cada uno compartiendo uno de sus electrones de valencia como el tomo trivalente tena al principio slo 3 electrones de valencia y comparte un electrn con cada uno de sus vecinos, hay slo 7 electrones en la rbita de valencia. Esto significa que hay un hueco en la rbita de valencia de cada tomo trivalente. Un tomo trivalente se denomina tambin tomo aceptar un electrn libre durante la recombinacin.6.3. Puntos que hay que recordarPara que u fabricante pueda adoptar un semiconductor, debe producirlo inicialmente cono un cristal absolutamente puro. Controlando posteriormente la cantidad de impurezas, puede determinar con precisin las propiedades del semiconductor. Inicialmente resultaba ms fcil producir cristales puros de germanio que de silicio. Por esta razn los primeros dispositivos semicondcutores estaban hechos de germanio. Despus mejoraron las tcnicas de fabricacin y se pueden obtener cristales puros de silicio. Por las ventajas que tiene, el silicio se ha erigido como el material semicnductor ms popular y til.7. Dos tipos de semiconductores extrnsecosUn semiconductor se puede dopar para que tenga un exceso de electrones libres o un exceso de huecos. Debido a ello, existen dos tipos de semicondcutores dopados.Un material semicopnductor que se a sometido a este proceso de dopando se denomina material extrnseco.Hay dos materiales extrnsecos de importancia invaluable para la fabricacin de dispositivos semicobnductores: el tipo p. cada uno se describir con cierto detalle en los siguientes prrafos.7.1. Semiconductores tipo nEl silicio que ha sido dopado con una impureza pentavalente se llama semiconductor tipo n hace referencia a negativo. En la fig. 2-9 muestra un semiconductor tipo n. como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, recibe el nombre de portadores mayoritarios, mientras que los huecos se les denomina portadores minonoritarios.Los electrones libres mostrados en la fig. 2-9 circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran la conductor y fluyen hacia el terminal positivo de la batera. Adems de los electrones libres. Algn electrn de valencia abandona ocasionalmente el extremo izquierdo del cristal. La salida de este electrn de valencia crea un hueco en el extremo izquierdo del cristal.7.2. Semoconductores tipo pEl silicio que ha dopado con impurezas trivalentes se llama semiconductores tipo p, donde p hace referencia a positivo. La Fig. 2-10 representa un semiconductor tipo p, como el nmero de huecos supera el nmero de electrones libres, los huecos son 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 le derecha. En la fig. 2-10, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del circuito extremo.En el diagrama de la fig. 2-10 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.El material tipo p se forma dopando un cristal puro de germanio o silicio con tomos de impureza que tenga tres electrones de valencia. Los elementos que se emplean con mayor frecuencia para este propsito son el boro, el galio y el indio. El efecto de uno de estos elementos (el boro) sobre silicio base se indica en la fig. 1-11.El material p resultado es elctricamente neutro, por las mismas razones que las del material tipo p.7.3. Electrn contra efecto huecoEl efecto de un hueco en la conduccin se muestra en la fig. 1-12. Si un electrn de valencia adquiere suficiente energa para romper su enlace covalente y llenar la vacante creada por un hueco, se crear una vacante o hueco en el enlace covalente que liber a ese electrn. En consecuencia, hay una transferencia de huecos hacia la izquierda y de electrones hacia la derecha, como se muestra en la fig. 1.12. la direccin que se emplear en este libro es la que corresponde al flujo convencional, la cual se indica mediante la direccin del flujo de huecos.7.4. Portadores mayoritarios y mimoritariosEn el estado intrnseco, el nmero del electrones libres en el Ge o el Si se debe slo a aquellos pocos electrones en la banda de valencias que han adquirido suficiente energa de fuentes trmicas o luminosas para romper el enlace covalente o las pocas impurezas que podra no haberse eliminado. Las vacantes que se quedan atrs en la estructura del enlace covalente reresmetan nuestros muy limitados suministros de huecos. En un material tipo n, el nmero de huecos no ha cambiado de manera significativa a partir de este nivel intrnse. El resultado neto por lo tanto, es que el nmero de electrones excede en demasi al nmero de huecos. Por esta razn:en un material tipo n (fig. 1.13 a) electrn se denomina portador mayoritario y el hueco, portador minoritario.Para el material tipo p, el nmero de huecos supera ampliamente al nmero de electrones, como se muestra en la fig. 1.13b. por lo tanto:en un material tipo p el hueco es un portador mayoritario y el electrn es el portador minoritario.8. El diodo no polarizadoComo se ha expuesto en sesiones anteriores, cada tomo pentavalente es un cristal de silicio produce un electrn libre. Por esa razn puede representarse un cristal de semiconductor tipo n como se demuestra en el lado derecho de la fig. 2-11. Cada signo ms encerrado en un crculo representa un tomo pentavalente y cada signo menos es el electrn libre con el que contribuye en el semiconductor.De manera similar, los tomo trivalentes y los huecos en un semicondutor tipo p se pueden representar como se aprecia en e lado izquierda de la fig. 2-11. Cada signo menos encerrado en un semicoductor representa un tomo trivalente y cada signo ms es el hueco de su rbita de valencia. Obsrvese que cada cristal de material semiconductor es elctricamente neutro porque el nmero de signos menos y ms es igual.8.1. La zona de deplexinDebido a su repulsin mutua, los electroneslibres en el lado n d ella fig. 2-12 tienden a dispersarse en cualquier direccin. Algunos electrones libres se difunden atravesando la unin. Cuando un electrn libre entra en la regin p se convierte en un portador minoritario. Con tantos huecos a su alrededor, este electrn tiene un tiempo de vida muy corta.Poco despus de entrar en la regin p el electrn libre cae en un hueco, cundo esto sucede, el hueco desaparece y el electrn libre se convierte en un electrn de valencia. Cada vez que un electrn se difunde a travs de la unin crea un par de iones. Cuando un electrn abandona el lado n dejo un tomo pentavalente a que le hace falta una carga negativa; este tomo se convierte en ion positivo. Una vez que el electrn cae en un hueco en el lado p. el tomo trivalente que lo ha capturado se convierte en ion negativo.8.2. Barra de potencial Cada dipolo tiene un campo elctrico entre los iones positivos y negativos.Por tanto, si electrones libres adicionales entran a la zona de deplexin, el campo elctrico trata de devolver estos electrones hacia la zona n. la intensidad del campo elctrico aumenta con cada electrn que cruza hasta que se alcanza el equilibrio. En una primera aproximacin tal coda significa que el campo acabar por detener la difusin de electrones a travs de la unin.8.3. unin de pnLa fig. 391 nos muestra dos trozos unidos de materiales semiconductores, 1 de tipo n y el otro de tipo p.tal como nos indican las flechas, en una estrecha capa a ambos lados de la superficie de contacto los huecos y los electrones tienden a desplazarse a la parte opuesta del cristal. Este movimiento se denomina difusin. Cuando los electrones se difunden en el cristal de tipo p se toparan con huecos y se recombinaran con ellos. Lo mismo ocurre con los huecos que se difunden en el cristal de tipo n.por tanto causada la recombinacin de los huecos y electrones aparecer una zona exenta de portadores de carga mviles (fig. 392). La corriente elctrica no puede circular en condiciones normal a travs de esta zona que se denomina capa barrea y cuyo espesor vale algunas milsimas de mm debido a la difusin entran portadores de carga negativa en la zona del cristal de tipo p y portadores positivos en la zona de tipo n.la tensin de difusin del germanio vale entre 0.2 v y 0.2 v y del silicio, entre 0.5 v y 0.8 v.8.4. Efecto de vlvula de la unin pnEl diodo semiconductor es un componente formado bsicamente por una unin pn (fig. 393).El experimento nos muestra que:un diodo semiconductor slo deja pasar la corriente en un solo sentido. La unin pn presenta pues un efecto de vlvula Cuando el polo positivo de la fuente esta aplicado a la zona p, y el polo negativo a la zona n del diodo semiconductor se encontrar este conectado en sentido de paso o directo.9. Polarizacin directa (VD>0V)Una condicin de polarizacin directa o de encendido se establece aplicando el potencial positivo al material tipo p y el potencial negativo al material tipo n, se indica en la fig. 1.18. por lo tanto para referencias futuras:Un diodo semicoductor esta polarizado directamente cuando se ha restablecido la asociacin entre tipo p y positivo, hacia como entre tipo n y negativo.En ausencia de un voltaje de polarizacin aplicado el gflujo neto de carga de cualquier direccin para un diodo semiconductor es 0.La aplicacin de un potencial de polarizacin directa VD "Presionara" a los electrones en el material tipo n y a los huecos en el material tipo p, para recombinar con iones cerca de la frontera y reducir la anchura de la regin de agotamiento, como se muestra en la fig. 1.18.un electrn del material tipo n "VE" una barrera producida en la unin, debida a la reduccin en la regin de agotamiento y una fuerte atraccin por el potencial positivo aplicado al material tipo p.9.1. Flujo de electrones libresLa corriente circula fcilmente en un circuito como el de al fig. 2-14. Porqu? La causa es que la fuente obliga a los electrones libres ya los huecos a fluir hacia la a unin. Estos iones positivos atraen los electrones hacia el cristal desde el circuito externo. Por tanto, los electrones libres pueden abandonar el terminal negativo de la fuente y fluir hacia el extremo derecho del cristal.9.2. Flujo de electrones de valenciaQu sucede con los electrones libres que desaparecen en la unin?. Se convierte en los electrones de valencia. Como tales se mueve a travs de los huecos de la regin p10. Condicin de polarizacin inversa (VD