Semiconductores
Enviado por • 1 de Marzo de 2013 • 1.949 Palabras (8 Páginas) • 269 Visitas
Física de los semiconductores. –
Si bien los materiales en electricidad se clasifican en conductores y en aislantes
según la cantidad de electrones libres que posean, existe una categoría de elementos que
no se comportan ni de una forma ni de otra y reciben el nombre de semiconductores. Se
trata de elementos que tienen la particularidad de que en su órbita exterior poseen cuatro
electrones. De estos elementos que están ubicados en la cuarta columna de la tabla
periódica interesan particularmente el germanio y el silicio . En la figura 1 se muestra
la imagen de un átomo de silicio.
+ 1 4 + 4
fig. 1
Estos materiales tienen la propiedad de agruparse en forma de cristales. Esta
agrupación se forma compartiendo electrones de a dos lo que se conoce con el nombre
de “uniones covalentes” esta unión se efectúa en forma tal que los electrones propios
más los que comparte con los vecinos completan los ocho necesarios para la órbita
externa de valencia y así resultan químicamente estables . En la representación del
cristal de silicio se adoptará una configuración plana representando a los átomos con la
simplificación indicada en la figura uno (derecha).Como allí se ve se separan los cuatro
electrones orbitales que son los que interesan y al resto se lo agrupa asignándole la
carga +4 como resultante de los +14 del núcleo y los -10 de los electrones incluidos.
Si a es núcleo se le puede agregar por cualquier medio energía, por ejemplo térmica, es
posible que alguno de sus electrones de valencia quede en una posición que le permite
abandonar fácilmente el átomo. El electrón que abandona el núcleo se transforma en un
”electrón libre”, mientras que el átomo que queda con un electrón menos recibe el
nombre de ”hueco”. Entonces cuando se agrega energía a un semiconductor alguno de
los electrones orbitales abandonará sus átomos transformándose en ”electrones libres” y
en los lugares abandonados por ellos se han formado ”huecos”.
+ 4 + 4
+ 4 + 4
+ 4 + 4
+ 4 + 4
+ 4 + 4
+ 4 + 4
+ 4 + 4
+ 4 + 4
fig. 2
El hueco es una partícula de propiedades
parecidas a las del electrón libre pero posee
un signo eléctrico opuesto (positivo). En la
figura 2 se representa un semiconductor
químicamente puro que se denomina
”semiconductor intrínseco”.
El semiconductor en contacto con el medio
ambiente tomará su temperatura y por lo tanto
sus electrones tendrán estadística-mente un
cierto nivel de energía. Algunos superarán ese
nivel medio de energía y tendrán la
posibilidad de abandonar sus átomos
formando los correspondientes huecos.
A la temperatura de trabajo o temperatura ambiente en un semiconductor intrínseco se
generarán en forma continua pares ”hueco-electrón”, pero los electrones libres pueden
ocupar los huecos de otros pares neutralizándolos. O sea que en un semiconductor
intrínseco a temperatura de trabajo habrá una tasa de generación de pares hueco-electrón
y habrá una tasa de recombinación . Si el sistema está en equilibrio la tasa de generación
es igual a la tasa de recombinación. El semiconductor intrínseco es entonces un ente de
equilibrio interno dinámico.
Los electrones libres y los huecos reciben el nombre de portadores, por lo tanto habrá
portadores positivos y portadores negativos.
Impurezas.-
En la práctica los semiconductores no se emplean en su carácter intrínseco sino que se
le agregan en cantidades muy pequeñas partículas llamadas impurezas. estas impurezas
pueden ser de dos tipos :
a) con 5 electrones orbitales como el antimonio y el arsénico(grupo 5).
b) con 3 electrones orbitales como el galio y el indio (grupo 3).
Las impurezas con cinco electrones orbitales al insertarse en un semiconductor
intrínseco en la unión covalente con los átomos vecinos deja un electrón libre mientras
que las impurezas con tres electrones orbitales dejan un hueco libre como se muestra en
la figura 3.
+ 4
+ 4 + 4 + 4
+ 4 + 4
+ 4 + 4
+ 4 + 4 + 4
+ 4
+ 4
+ 4
+ 4
+ 5
Im p u re z a
+ 4
+ 4 + 4 + 4
+ 4 + 4
+ 4 + 4
+ 4 + 4 + 4
+ 4
+ 4
+ 4
+ 4
+ 3
I m p u r e z a
tipo N tipo P
fig. 3
Cuando se incorporan impurezas del grupo 5, en el semiconductor queda un exceso
de electrones libres o portadores negativos. Por esta razón a éste se le llama
semiconductor tipo N
Cuando se incorporan impurezas del grupo 3, en el semiconductor queda un exceso
de huecos o portadores positivos. Por esta razón a éste se le llama semiconductor tipo P.
Unión P-N.-
Si se unen dos cristales de un mismo semiconductor (uno tipo P y el otro tipo N)
como se indica en la figura 4 en donde los huecos o portadores positivos están del lado
izquierdo y los electrones o portadores negativos están del lado derecho.
+ + + + + + + - - - - - - -
+ + + + + + + - - - - - - -
+ + + + + + + - - - - - - -
+ + + + + + + - - - - - - -
+ + + + + + + - - - - - - -
+ + + + + + + - - - - - - -
+
-
h u e c o
e le c tr ó n lib r e
d o n a d o r e s
c a rg a d o s
p o s itiv a m e n te
d o n a d o r e s
c a rg a d o s
n e g a tiv a m e n te
P N
fig. 4
Los electrones libres y los huecos se encuentran, bajo las influencia de la
temperatura del cristal, en continuo movimiento. Debido a ello tienden a distribuirse
uniformemente por todo el cristal. Los huecos que en un principio prácticamente sólo se
encuentran en el cristal de la izquierda de conducción P , tienden en parte a desplazarse
hacia la derecha pasando al sector de conducción N, y una parte de los electrones libres
intentan pasar del sector derecho de conducción N al izquierdo de conducción P
Este fenómeno se denomina difusión y a la corriente vinculada se la llama corriente de
difusión .
+ + + + + + - + - - - - - -
+ + + + + + - - - - - -
+ + + + + + - - - - - -
+ + + + + + - - - - - -
+ + + + + + - - - - - -
+ + + + + + - - - - - -
P N
- +
- +
- +
- +- +
fig. 5
La corriente de difusión deja de fluir ya que los huecos que se desplazan desde el
sector izquierdo de conducción P hacia la derecha, dejan aceptores de carga negativa
que ejercen una fuerza de atracción (es decir de retroceso) sobre los huecos. Lo mismo
rige para los electrones que se desplazan de derecha a izquierda.
Los huecos y los electrones que se desplazan dejan atrás inmóviles a aceptores y
donadores respectivamente.
-
+ -
-
+ + + + + + - - - - - -
+ + + + + - - - - - -
+ + + + + + - - - - -
+ + + + + - - - - - -
+ + + + + + - - - - -
+ + + + + + - - - - - -
+
+
+ +
+
+
+
-
- -
-
-
fig.6
Ahora su carga eléctrica ya no queda compensada por los huecos y los electrones. Por
consiguiente, en el lado de conducción P de la unión PN se encuentra una carga
negativa no compensada y análogamente en el lado de conducción N otra positiva. Esto
se puede considerar como un capacitor de placas cargados y por analogía las cargas no
compensadas a ambos lados de la unión PN hacen que se establezca una diferencia de
potencial eléctrica llamado potencial de difusión o barrera de potencial.
-
P N
++
+
+ +
++
+
---
-
- -
-
-
P N
+++
++++
+
---
-
--
-
fig 7
En la unión de los cristales se establece una zona de carga espacial.
Ahora se analizará que sucede cuando se somete una unión PN a una diferencia de
potencial externa.
Si se conecta el positivo de una fuente al sector de conducción P de un cristal y el polo
negativo al de conducción N , mientras la tensión exterior sea muy inferior a la tensión
de difusión existente en la unión PN, sólo fluirá una corriente de muy baja intensidad,
puesto que la zona de carga espacial tiene en un principio una resistencia óhmica
relativamente alta. Pero ni bien la tensión exterior alcanza el valor de la tensión de
difusión la corriente comienza a aumentar en forma muy pronunciada.
+ + + + + + - - - - - -
+ + + + + - - - - - -
+ + + + + + - - - - -
+ + + + + - - - - - -
+ + + + + + - - - - -
+ + + + + + - - - - - -
P N
+
fig 8
Debido a la tensión exterior, los huecos son impulsados del sector de conducción P al
de conducción N, a través de la unión PN, mientras que los electrones se desplazan en
sentido contrario. Por lo tanto la zona de carga espacial que poseía una alta resistencia,
de pronto se encuentra inundada de portadores de cargas móviles disminuyendo
rápidamente su resistencia.
Con esta polaridad, la unión PN deja pasar corrientes de gran intensidad a tensiones
relativamente bajas. Por dicho motivo, este sentido de la corriente se denomina sentido
de conducción o de paso.
Ahora si se invierte la polaridad de la fuente externa los huecos en el sector de
conducción P y los electrones libres en el sector N son impulsados hacia afuera
alejándose de la unión PN. de esta forma se eliminan aún más los portadores de carga
libres en los alrededores de la unión PN, ensanchándose la zona de carga espacial, de
alta resistencia óhmica.
+ + + + +
+ - - - - - -
+ + + + + - - - - - -
+ + + + + + - - - - -
+ + + + + - - - - - -
+ + + + +
+ - - - - -
+ + + + +
+ - - - - - -
P N
+
fig 9
De este modo se impide el paso de la corriente aunque se apliquen tensiones elevadas,
esta polaridad recibe el nombre de sentido de bloqueo de la unión PN y la tensión
aplicada en dicho sentido se denomina tensión de bloqueo.
Diodos -Características tensión-corriente.-
Las propiedades de la juntura en la unión de semiconductores P-N se aprovechan para
la construcción de diodos. A partir de este punto, para facilitar el análisis se representará
al diodo con su símbolo. (Figura 10)
Semiconductor
tipo P
Semiconductor
tipo N
Juntura
(barrera de potencial) simbolo del diodo
fig.10
Se vio anteriormente que con la polaridad directa (sentido de conducción o de paso),
la unión PN del diodo deja pasar corrientes de gran intensidad a tensiones relativamente
bajas.
Si se ensaya un diodo con el circuito indicado en la figura 11 (a) de forma tal de ir
variando la corriente directa y se representa la tensión en bornes del diodo en función de
la corriente directa se obtiene el gráfico de la figura 11 (b)
I d
U d
I d
U d
C a r a c te r ís tic a
+ d e c o n d u c c ió n
(a) (b)
fig.11
Si se ensaya un diodo con el mismo circuito pero con polarización inversa (figura 12
a) y se representa la tensión en bornes del diodo en función de la corriente directa se
obtiene el gráfico de la figura 11 (b)
U I
I I
U I
C a r a c te rí s tic a
d e b lo q u e o
+
U Z
(b) (b)
fig.12
Aquí se pone de manifiesto la alta resistencia que ofrece el diodo en sentido inverso
debido a el ensanche de la zona de carga espacial. Si la tensión inversa se incremente
los suficiente (UZ) puede llegar a crear en la zona de carga espacial una intensidad de
campo eléctrico tan alta que se desprendan electrones de valencia de sus respectivos
enlaces iniciando un fenómeno de avalancha conocido como descarga Zenner.
U I
U Z
I D
U D
fig. 13
Si se unen las dos
características que se mostraron
anteriormente se obtiene la
característica completa de un
diodo. (figura 13)
...