Circuitos Electricos

Ismael Ochoa Orozco

Mtro. J. Jesús Ruiz Reyes

Principios Eléctricos

Investigación:

*Semiconductores extrínsecos*

*Semiconductores intrínsecos*

*Dopado*

*Material N*

*Diodos*

*Transistores*

*Tiristores*

SEMICONDUCTORES

Los primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron pequeños detectores diodos empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocían como “de galena”. Ese nombre lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra de galena o sulfuro de plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado para sintonizar las emisoras de radio. La sintonización se obtenía moviendo una aguja que tenía dispuesta sobre la superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conocía que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas.

En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares. Posteriormente, en 1947 William Shockley, investigador también de los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica moderna.

Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc.

Lugar que ocupan en la Tabla Periódica los trece elementos con. Características de semiconductores, identificados con su correspondiente. Número atómico y grupo al que pertenecen. Los que aparecen con fondo.

Gris corresponden a “metales”, los de fondo verde a “metaloides” y los de. Fondo azul a “no metales”.

INCREMENTO DE LA CONDUCTIVIDAD EN UN ELEMENTO SEMICONDUCTOR

La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente también aumenta, disminuyendo la conductividad. Todo lo contrario ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad también aumenta.

En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los siguientes métodos:

• Elevación de su temperatura

• Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina

• Incrementando la iluminación.

La conductividad eléctrica de los cuerpos materiales (σ) constituye la capacidad que.tienen de conducir la corriente eléctrica. La fórmula matemática para hallar la. conductividad es la siguiente:

Como se puede apreciar en esta fórmula, la conductividad (σ) se obtiene hallando primeramente el resultado de la recíproca de la resistencia (o sea, 1/R) multiplicándolo a continuación por el resultado que se obtiene de dividir la longitud del material (L) entre su área (A). En esa fórmula se puede observar también que la resistencia (R) es inversamente proporcional a (σ), por lo que, a menor resistencia en ohm de un cuerpo, la conductividad resultante será mayor.

SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS"

Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente forma:

• Intrínsecos

• Extrínsecos

Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción.

Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.

Como se puede observar en la ilustración, en el caso de los semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida es mucho más estrecho en comparación con los materiales aislantes. La energía de salto de banda (Eg) requerida por los electrones para saltar de la banda de valencia a la de conducción es de 1 eV aproximadamente. En los semiconductores de silicio (Si), la energía de salto de banda requerida por los electrones es de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.

Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la ilustración, los átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.

SEMICONDUCTORES "EXTRÍNSECOS"

Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o de germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas".

Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última órbita [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corriente eléctrica.

En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el uso de la industria electrónica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente relativamente barato de obtener. La materia prima empleada para fabricar cristales semiconductores de silicio es la arena, uno de los materiales más abundantes en la naturaleza. En su forma industrial primaria el cristal de silicio tiene la forma de una oblea de muy poco grosor(entre 0,20 y 0,25 mm aproximadamente), pulida como un espejo.

A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea (wafer) o cristal semiconductor de. Silicio pulida con brillo de espejo, destinada a la fabricación de transistores y circuitos. Integrados. A la derecha aparece la cuarta parte de la oblea conteniendo cientos de. Minúsculos dados o “chips”, que se pueden obtener de cada una. Esos chips son los. Que después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se convertirán en. Transistores o circuitos integrados. Una vez que los chips se han convertido en. Transistores o circuitos integrados serán desprendidos de la oblea y colocados dentro. De una cápsula protectora con sus correspondientes conectores externos.

EL DOPADO DE SEMICONDUCTORES

La adición de un pequeño porcentaje de átomos extraños en la red cristalina regular de silicio o germanio, produce unos cambios espectaculares en sus propiedades eléctricas, dando lugar a los semiconductores de tipo n y tipo p.

Impurezas pentavalentes

Los átomos de impurezas con 5 electrones de valencia, producen semiconductores de tipo n, por la contribución de electrones extras.

Impurezas trivalentes

Los átomos de impurezas con 3 electrones de valencia, producen semiconductores de tipo p, por la producción de un "hueco" o deficiencia de electrón.

SEMICONDUCTORES TIPOS P Y N

Los semiconductores tipo-n y tipo-p sirven para construir una infinidad de dispositivos electrónicos (limitados casi únicamente por la imaginación!), aprovechando propiedades que tienen las diferentes formas de unión, tipos de gradiente y de concentración de impurezas, y de proximidad entre capas tipo-n y tipo-p. Según la función específica, los dispositivos semiconductores pueden clasificarse como sigue:

1. Rectificadores, Amplificadores y Conmutadores (como

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