Diodos Y Caracterísitcas

DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

Introducción. Materiales semiconductores

El término “semiconductor” revela por sí mismo una idea de sus características. El prefijo “semi” suele aplicarse a un rango de niveles situados a la mitad de dos límites. El término conductor se aplica a cualquier material que permite un gran flujo de carga, cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales.

Un aislante o dieléctrico es un material que ofrece un nivel muy bajo de conductividad bajo la presión de una fuente de voltaje aplicada.

Un semiconductor, es un material que posee un nivel de conductividad que se localiza entre los extremos de un dieléctrico y un conductor.

Inversamente relacionada con la conductividad de un material, se encuentra la resistencia al flujo de la carga o corriente. Esto es, mientras más alto es el nivel de conductividad, menor es el nivel de resistencia.

Entre los semiconductores conocidos, el germanio y el silicio han recibido la atención que tienen por varias razones. Una consideración muy importante es el hecho de que se pueden purificar en un muy alto grado de pureza. De hecho, los avances recientes han reducido los niveles de impureza en el material puro a una parte por cada 10 mil millones.

Se preguntará si son necesarios estos niveles de impureza. Sí, si se considera que la adición de una parte de impurezas (del tipo adecuado) por millón, en una oblea de silicio puede cambiar dicho material de un conductor relativamente pobre a un buen conductor de electricidad. La habilidad de cambiar las características del material en forma significativa a través de este proceso, se conoce como “dopado”, qué es otra de las razones por las que el Ge y el Si han recibido mayor atención.

Otras razones incluyen el hecho de que sus características pueden ser alteradas de forma importante mediante la aplicación de luz o calor.

Algunas de esas características son consecuencia de su estructura atómica.

Los átomos de Ge y Si organizan un patrón bien definido que por naturaleza es periódico, esto es, se repite continuamente; a este patrón se le llama cristal y al arreglo periódico se le llama red. Ambos materiales presentan una estructura tridimensional. Si dichas estructuras cristalinas son del mismo tipo se les conoce como estructura mono cristal. Además, se ha observado que la estructura de estos materiales no se altera demasiado al aplicársele impurezas.

En la Figura 1 se muestran los modelos de Bohr para Ge y Si, como se puede observar, en ambos casos se tienen 4 electrones en la capa exterior (de valencia). El potencial que se requiere (potencial de ionización) para sacar de la estructura a cualquiera de los 4 electrones de valencia es menor que el que se requiere para sacar cualquier otro electrón de la estructura.

En el caso de un cristal puro de Ge o Si, los 4 electrones de valencia se enlazan con 4 átomos adyacentes como se muestra en la Figura 2. Tanto el Ge como el Si se denominan átomos tetravalentes porque cada uno de ellos mantiene 4 electrones de valencia.

A la unión de átomos mediante electrones de valencia compartidos se le llama enlace covalente. Si bien el enlace covalente es un vínculo fuerte entre los electrones de valencia y su átomo, es posible que adquieran la suficiente energía cinética de forma natural para poder romper el enlace y asumir un estado “libre”. Las causas naturales pueden ser energía luminosa en forma de fotones o energía térmica proveniente del entorno.

A temperatura ambiente, hay alrededor de 1.5 x 1010 electrones libres (conocidos como portadores libres) en un cm3 de material intrínseco de Si.

Material intrínseco. Es aquel que se ha refinado cuidadosamente con el objetivo de reducir las impurezas hasta un nivel muy bajo, mediante la actual tecnología.

Figura 1. Estructura atómica de: a) Ge, b) Si Figura 2. Enlace covalente del Si

Un incremento en la temperatura del semiconductor puede ocasionar un incremento sustancial del número de portadores libres en el material.

Los materiales semiconductores como el Si y el Ge que presentan una reducción en la resistencia cuando se incrementa la temperatura se dice que tienen un coeficiente de temperatura negativo.

En un conductor no se incrementa de forma importante el número de portadores libres al incrementar la temperatura y, por otro lado, su patrón de vibración con respecto a una posición fija dificulta cada vez más el paso de los electrones. Por lo tanto, un incremento de temperatura causa el incremento de la resistencia, así que tiene un coeficiente de temperatura positivo.

Niveles de Energía

En la estructura atómica aislada existen niveles discretos de energía (individuales) asociados con cada electrón que orbita, como se muestra en la Figura 3. De hecho, cada material tiene su propio conjunto permitido de niveles de energía para los electrones en su estructura atómica.

Mientras más distante esté el electrón del núcleo, mayor será su estado de energía. Además, cualquier electrón que haya abandonado su átomo tiene un estado de energía mayor que cualquier electrón dentro de la estructura atómica.

Figura 3. Niveles de energía: a) niveles discretos en estructuras atómicas aisladas; b) Bandas de conducción y de valencia para un dieléctrico, un semiconductor y un conductor

Observe en la Figura 3 que la energía asociada a cada electrón se mide en electrón volts (eV). La unidad surge de: W = QV eV; la ecuación anterior se deriva de la ecuación que define la diferencia de potencial V = W/Q. Donde Q es la carga asociada con un solo electrón.

Al sustituir la carga del electrón y una diferencia de potencial de 1 volt en la ecuación anterior, se tiene como resultado un nivel de energía conocido como electrón volt (eV). Dado que la energía también se expresa en joules y que la carga de un electrón es = 1.6 x 10-19 C,

W = QV = (1.6 X 10-19 C) (1V)

1 eV = 1.6 x 10-19 J

En el cero absoluto (0°K), todos los electrones de valencia de un semiconductor permanecen inmovilizados en la capa externa del átomo que cuente con niveles de energía asociados con la banda de valencia de la Figura 3. Sin embargo en la temperatura ambiente (300°K, 25°C) un gran número de electrones de valencia habrán adquirido energía suficiente para abandonar la banda de valencia, cruzar la banda de energía vacía definida por Eg en la Figura 3, e ingresar a la banda de conducción. Para el caso del Si Eg = 1.1 eV, para el Ge Eg = 0.67 eV y para el Arseniuro de Galio Eg = 1.41 eV. El bajo nivel de Eg para el Ge se debe al alto número de portadores en comparación con el del Si a temperatura ambiente.

Materiales Extrínsecos tipo n y tipo p

Las características de los materiales semiconductores pueden alterarse de forma importante mediante la adición de ciertos átomos, llamados de impureza, al semiconductor prácticamente puro. Aunque estas impurezas se añaden en proporción de una parte por cada 107 por cm3, pueden alterar la estructura de las bandas de energía lo suficiente para modificar las propiedades eléctricas del material por completo.

Material extrínseco. Es aquel semiconductor al que se le realiza un proceso de aplicación de impurezas (dopado).

Hay dos tipos de materiales extrínsecos, el tipo n y el tipo p.

Material tipo n

El material tipo n se forma mediante la adición de un número predeterminado de átomos de impureza que poseen cinco electrones de valencia (pentavalentes), como el antimonio, arsénico o fósforo. En la Figura 4 se muestra el efecto de estos elementos de impureza sobre una base de Si.

Figura 4. Impureza de Antimonio (Sb) que convierte al Si en un material tipo n

Observe que permanecen presentes los 4 enlaces covalentes; sin embargo, hay un quinto electrón adicional que proviene del átomo de impureza, el cual no intervienen en ningún enlace covalente. Este electrón “sobrante”, que tiene un enlace débil con su átomo (Sb), está relativamente libre para moverse dentro del material semiconductor.

Las impurezas, difundidas en un semiconductor, que cuentan con cinco electrones de valencia se conocen como átomos donadores.

Es muy importante notar que aunque se ha establecido un gran número de portadores “libres” en el semiconductor, éste permanece con carga eléctrica neutra; ya que el número de protones y de electrones en la estructura, es el mismo.

Material tipo p

El material tipo p se forma mediante la adición de un número predeterminado de átomos de impureza que poseen tres electrones de valencia (trivalentes), como el boro, galio o indio. En la Figura 5 se muestra el efecto de estos elementos de impureza sobre una base de Si.

Figura 5. Impureza de Boro (B) que convierte al Si en un material tipo p

Observe que esta impureza aporta un número insuficiente de electrones para completar los enlaces covalentes de la red. A la vacante en la red se

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