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SEMICONDUCTORES

Son una clase especial de elementos cuya conductividad electrica se encuentra entre la de un buen conductor y la de un aislante.Clases:Un solo cristal: Con estructura cristalina repetitiva. Germanio (Ge) Silicio (Si)b) Compuesto: Arseniuro de Galio (GaAs) Sulfuro de Cadmio (CdS) Nitruro de Galio (GaN) Fosfuro de Galio y Arsenico (GaAsP)

Son materiales semiconductors de diferentes estructura atomica.Los tres semiconductors de diferentes estructura atomica.Ge: Poco confiable, por su sensibilidad a los cambios de temperatura.Si: Mejor sensibilidad a la temperatura.- GaS: Dificil de fabricar a altos niveles de pureza, mas caro. Actualmente se utiliza de manera consistente como material base para nuevos diseos de C.I. a gran escala (VLSI) alta velocidad.

- El germanio (Ge) tiene 32 electrons (e-) en sus orbitas, el silicio (Si) tiene 14 e-, el arsenico (As) con 33 e- y el galio (Ga) con 31 e- .

El Ge y el Si tiene 4 e- en la capa externa, los cuales se conocen como electrones de Valencia. El Ga tiene 3 e- de valencia y el As tiene 5 e- de valencia.

Atomos de 3 e- de Valencia trivalentesAtomos de 4 e- de Valencia tetravalentesAtomos de 5 e- de Valencia pentavalentes

Trmino Valencia: Potencial de ionizacin requerido para remover cualquiera de estos electrones de la estructura atomica es significativamente mas bajo que el requerido para cualquier otro electrn en la estructura.

A la temperatura ambiente (25 oC) hay alrededor de 1.5 x 1010 portadores libres en 1 cm3 de material de silicio intrnseco (sin impurezas).

Los materiales semiconductores tienen un coeficiente de temperatura negativo. - Presentan un nivel de incremento de velocidad con la aplicacin de calor. Conforme se eleva la temperatura un mayor nmero de electrones de Valencia absorben suficiente energa trmica para romper el enlace covalente y asi contribuir al nmero de portadores libres.

Fig.: Diagramas de tomos de silicio y germanio.Fig. Ilustracin de enlaces covalentes de silicio.

(a) El tomo de silicio central comparte un electrn con cada uno de los cuatro tomos de silicio circundantes, con lo que se crea un enlace covalente con cada uno. Los tomos circundantes estn a su vez enlazados con los otros tomos, y as sucesivamente.(b) Diagrama de enlaces. Los signos negativos(en gris) representan los electrones de valenciacompartidos.

Niveles de Energa

Fig. Diagramas de energa para los tres tipos de materiales.Las diferencias en los requerimientos de las brechas de energa revela la sensibilidad decada tipo de semiconductor (Eg) a los cambios de temperatura.Ejemplo. Al elevarse la temperatura de una muestra de Ge el nmero de electrones quepueden absorver energa trmica y entrar a la banda de conduccin se incrementa conrapidez porque la brecha de energa es minima. El diseo de fotodetectores sensibles a la luz y los sistemas de seguridad sensibles al calorParecen ser un excelente area de aplicacion de los dispositivos de Ge.No obstante en el caso de redes de Transistores, en lo que la estabilidad a la temperaturao a la luz puede ser un factor prejudicial.

Electrones de conduccin y huecosUn cristal de silicio intrnseco (puro) a temperatura ambiente tiene energa calorfica(trmica) suficiente para que algunos electrones de valencia salten la banda prohibidadesde la banda de valencia hasta la banda de conduccin, convirtindose as en electroneslibres, que tambin se conocen como electrones de conduccin.Cuando un electrn salta a la banda de conduccin, deja un espacio vaco en la banda de valencia dentro del cristal. Este espacio vaco se llama hueco. Por cada electrn elevado ala banda de conduccin por medio de energa externa queda un hueco en la banda devalencia y se crea lo que se conoce como par electrn-hueco; ocurre unarecombinacin cuando un electrn de banda de conduccin pierde energa y regresa aun hueco en la banda de valencia.

Fig.: Creacin de pares electrn hueco en un cristal de silicio. Los electrones en la banda de conduccin son electrones libresCorriente de electrn y huecoCuando se aplica voltaje a travs de un trozo de silicio intrnseco, como muestra la figura, los electrones libres generados trmicamente presentes en la banda de conduccin (que se mueven libremente y al azar en la estructura cristalina) son entonces fcilmente atrados hacia el extremo positivo. Este movimiento de electrones es un tipo de corriente en un material semiconductor y se llama corriente de electrn.

Fig. La corriente de electrones en silicio intrnseco se produce por el movimiento de electrones libres generados trmicamente.

Fig. Corriente de huecos en silicio intrnseco.SEMICONDUCTORES TIPO N Y TIPO PDopado:La conductividad del silicio y el germanio se incrementa drsticamente mediante la adicin controlada de impurezas al material semiconductor intrnseco (puro). Este proceso, llamado dopado, incrementa el nmero de portadores de corriente (electrones o huecos). Los dos portadores de impurezas son el tipo n y el tipo p.

Las caracteristicas de un material semiconductor se pueden modificar de manerasignificativa con la adicion de atomos de impurezas.

Un material que ha sido sometido al proceso de dopado se conoce como material extrinseco.

Material tipo N:Se crea introduciendo elementos de impurezas que contienen 5 e- Valencia (pentavalentes) como el antimonio (Sb), el arsenico (As) y el fosforo (P).

Las impurezas difundidas con 5 e- Valencia se llaman atomos donadores.

Fig. tomo de impureza pentavalente en una estructura de cristal de silicio. Se muestra un tomo de impureza de antimonio (Sb) en el centro. El electrn extra proveniente del tomo de Sb se convierte en electrn libre.Portadores mayoritarios y minoritarios Como la mayora de los portadores de corriente son electrones, el silicio (o el germanio) dopado con tomos pentavalentes es un semiconductor tipo n (n expresa la carga negativa de un electrn). Los electrones se conocen como portadores mayoritarios en material tipo n. Aunque la mayora de los portadores de corriente en un material tipo n son electrones, tambin existen algunos huecos que se crean cuando trmicamente se generan pares electrn-hueco (estos huecos no se producen por la adicin de tomos de impureza pentavalentes).Los huecos en un material tipo n reciben el nombre de portadores minoritarios.

Material tipo PEl material tipo p se forma dopando un cristal de Ge o Si puro con atomos de impurezas que tienen 3 e- Valencia. Elementos mas usados para el proceso de dopaje son: Boro (B), Galio (Ga), Indio (I), en una base de silicio.

Las impurezas difundidas con 3 e- Valencia se llaman atomos aceptores.

Fig. tomo de impureza trivalente en una estructura de cristal de silicio. Un tomo de impureza de boro (B) se muestra en el centro.

(a) La estructura de diodo bsica en el instante de la formacin de la unin que muestra slo los portadores mayoritarios y minoritarios. Algunos electrones libres en la regin n cerca de la unin pn comienzan a difundirse a travs de la unin y caen en huecos cerca de la unin en la regin p.(b) Por cada electrn que se difunde a travs de la unin y se combina con un hueco, queda una carga positiva en la regin n, se crea una negativa en la regin p, y se forma un potencial de barrera. Esta accin contina hasta que el voltaje de la barrera se opone a ms difusin. Las flechas entre las cargas positivas y negativas en la regin de empobrecimiento representan el campo elctrico.El DIODOSi se toma un bloque de silicio y se dopa una parte de l con una impureza trivalente y la otra con una impureza pentavalente, se forma un lmite llamado unin pn entre las partes tipo p y tipo n resultantes y se crea un diodo bsico. Un diodo es un dispositivo que conduce corriente en slo una direccin. La unin pn es la caracterstica que permite funcionar a diodos, ciertos transistores y otros dispositivos.POLARIZACIN DE UN DIODOEn general el trmino polarizacin se refiere al uso de un voltaje de cc para establecerciertas condiciones de operacin para un dispositivo electrnico. En relacin con un diodo existen dos condiciones: en directa y en inversa. Cualquiera de estas condiciones de polarizacin se establece conectando un voltaje de cc suficiente y con la polaridad apropiada a travs de la unin pn.

Polarizacin en directaPara polarizar un diodo se aplica un voltaje de cc a travs de l. Polarizacin en directa es la condicin que permite la circulacin de corriente a travs de la unin pn.

Fig. Un diodo conectado para polarizacin en directa.

Fig. Un diodo polarizado en directa que muestra el flujo de portadores mayoritarios y el voltaje debido al potencial de barrera a travs de la regin de empobrecimiento.

(a) En equilibrio (sin polarizacin)(b) La polarizacin en directa estrecha la regin de empobrecimiento y produce un cada de voltaje a travs de la unin pn igual al potencial de barrera.Polarizacin en inversaLa polarizacin en inversa es la condicin que en esencia evita la circulacin de corriente a travs del diodo. La figura muestra una fuente de voltaje de cc conectada a travs de un diodo en la direccin que produce polarizacin en inversa.

Fig. Un diodo conectado para polarizacin en inversa. Se muestra un resistor limitador aunque no es importante en la polarizacin en inversa porque en esencia no hay corriente.Corriente en inversa La corriente extremadamente pequea que existe en la condicin de polarizacin en inversa despus de que la corriente de transicin se disipa es provocada por los portadores minoritarios en las regiones n y p producidos por pares de electrn-hueco generados trmicamente.

Fig. La extremadamente pequea corriente en inversa en un diodo polarizado en inversa se debe a los portadores minoritarios provenientes de pares de electrn-hueco trmicamente generados.Ruptura en inversa Normalmente, la corriente en inversa es tan pequea que se puede despreciar. No obstante, si el voltaje de polarizacin en inversa externo se incrementa a un valor llamado voltaje de ruptura, la corriente en inversa se incrementar drsticamente.FIN