El dispositivo semiconductor

Dispositivos semiconductores

El dispositivo semiconductor mas simple es el diodo. Está hecho por la unión de un material semiconductor de tipo N y otro de tipo P. Nos ocuparemos solo de los diodos de Silicio. Hay diodos construidos de otros materiales tales como el Germanio y el Arseniato de Galio, pero su forma de operar es esencialmente la misma.

Es fácil darse cuenta que un diodo semiconductor es básicamente un interruptor controlado eléctricamente. Como ejemplo considere el diodo de silicio La parte operacional del diodo es una pieza especialmente tratada de silicio que tiene dos regiones un

ánodo ( región tipo P) y un cátodo (región tipo N).

El diodo actúa como una válvula de cheque, deja circular las cargas eléctricas en una dirección pero impide el paso en dirección contraria. La dirección de conducción es aquellas cuando el ánodo es mas positivo que el cátodo y se sobrepasa el umbral de voltaje de alrededor de 0.7 voltios de esta forma se establece la corriente.

En la dirección inversa el cátodo es mas positivo que el ánodo es decir la corriente está tratando de circular en sentido contrario lo que no es

permitido por el diodo. De manera que podemos

resumir el diodo como una forma automática de interruptor, cuando la corriente está en el sentido de la conducción esta se permite, en sentido contrario se impide.

La permutación ocurre en respuesta a señales eléctricas (el voltaje a que está sometido el diodo) y ocurre a muy alta velocidad. El proceso de permitir el paso de la corriente en una dirección e impedirla en la otras se denomina rectificación. Algunos diodos pueden rectificar corrientes en el orden de los gigahertz, lo que significa miles de millones de ciclos por segundo.

La diferencia entre regiones P y N

Cuál es la diferencia entre las regiones del ánodo P y el cátodo N en el silicio. En principio el material básico para ambos es un chip hecho de un único cristal de silicio. Lo que significa que todos los átomos dentro del cristal están alineados en las mismas filas y capas a través de todo el cristal, sin embargo ciertas modificaciones se hacen al cristal de silicio en cada región. La región del ánodo tiene algunos átomos de aluminio mezclados con los de silicio. Debido a eso y por razones que veremos mas adelante, el material de ánodo es llamado silicio de tipo P. De la misma forma, la región del cátodo del cristal tiene algunos átomos de fósforo puestos por aquí y por allá, este tipo de material se llama silicio tipo N.

Enlaces covalentes del silicio

El silicio es un elemento químico; es decir, es uno de los elementos básicos que combinado puede formar otras sustancias. Las rocas y el suelo, probablemente contienen mas silicio que cualquier otro elemento. Un grano de arena es en principio un cristal de cuarzo constituido por silicio y oxígeno. El silicio puro se obtiene de la arena separándole el oxígeno. El silicio se usa para aparatos semiconductores por la forma especial en la que los electrones fluyen en los átomos de silicio dentro del cristal. Este flujo dependerá de como los átomos se conectan entre ellos.

Si echamos una mirada dentro de una pieza cristalina de silicio con un microscopio de enorme amplificación, podríamos ver los átomos de silicio colocados en filas y capas, cada átomo luciría como una bolita difusa conectada con un enlace también difuso a otros cuatro átomos vecinos. La parte de la bolita se llama núcleo del átomo, las extensiones que conectan los núcleos de diferentes átomos se llaman enlaces covalentes.

Esta organización particular de los átomos en el cristal se llama estructura cristalográfica. El mismo modelo puede representar cualquier cristal semiconductor; por ejemplo, Germanio, Silicio o Carbono. Sí, carbono, en la forma de diamante, puede ser utilizado como material semiconductor que operar a temperaturas extremadamente altas.

La forma usual de dibujar el diagrama de los átomos y enlaces covalentes en un cristal. Los círculos representan los átomos o núcleos atómicos, las lineas a los enlaces covalentes. Los átomos están colocados en un patrón de cuadros, con cada uno conectado a sus cuatro vecinos. En la explicación de como los electrones fluyen en el cristal hemos considerado que el cristal es una simple capa plana de átomos de silicio colocados en cuadros en lugar de un cuerpo tridimensional.

Los electrones de los átomos están por niveles

Para entender como los electrones fluyen dentro de un cristal semiconductor, primero veremos como funciona los enlaces covalentes. Esos enlaces son el resultado de la forma en que los electrones están alineados.

Un átomo está básicamente constituido por un pequeño núcleo cargado positivamente rodeados por una nube de electrones cargados negativamente. Los electrones en movimiento están mantenidos en órbitas alrededor del núcleo por fuerzas de atracción electrostáticas. El núcleo recibe su carga de los protones cargados positivamente. Cada elemento químico (hidrógeno, oxígeno, y silicio por ejemplo) tienen un número diferente de protones en su núcleo. En un átomo normal hay tantos electrones cargados negativamente como protones cargados positivamente, por lo que el átomo es neutro eléctricamente.

En los átomos los electrones no giran en órbitas al azar si no que siguen ciertas rutas. Estas rutas están determinadas por un grupo de reglas físicas llamadas mecanismos cuánticos.

Las órbitas de los electrones

Revisemos el plano general de las órbitas de los electrones. Aunque las órbitas de los electrones pueden ser ovaladas y en todas direcciones formando un cuerpo tridimensional, La distancia al núcleo o radio de la órbita representa además la energía que el electrón tiene en esa órbita de manera que mientras mas grande es la distancia al núcleo mayor es su energía. Esto se debe a que el electrón tiene que recibir energía para vencer las fuerzas de atracción electrostática del núcleo y poder saltar a una órbita mas lejana.

En los átomos está establecido que los electrones solo pueden tener ciertas cantidades de energía. Como dependiendo de la energía del electrón este puede colocarse en una determinada órbita a cierta distancia alrededor del núcleo, se desprende entonces que solo existirán ciertas órbitas permitidas. Estas órbitas se agrupan en capas separadas llamadas niveles y estos niveles a su vez en

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