CAPÍTULO 1. FÍSICA DE LOS SEMICONDUCTORESHistoria:

1782: Alexander Volta introdujo el nombre de semiconductores para denominar una categoría de materiales de resistividad intermedia entre los conductores y los aislantes

1873: Willoughby Smith descubre que el selenio aumenta su conductividad al ser iluminado

1906: Greenleaf Pickart descubre que el silicio, la galena i otros cristales se pueden usar como detectores de ondas de radio presionando sobre ellos un hilo metálico

1938: Walter Schottky publica la teoría del diodo metal-semiconductor

1942: El norteamericano de origen austrìaco Karl Lark-Horovitz consigue obtener cristales de germanio de alta pureza y calidad.

CONCEPTOS BÁSICOS DE LA FÍSICA DE LOS SEMICONDUCTORES Semiconductores: elementos cuya conductividad se encuentra entre la de un buen conductor y la de un aislante

los materiales semiconductores caen dentro de una de dos clases:

• un solo cristal (un solo material)germanio (Ge) silicio (Si)

Tienen una estructura cristalina repetitiva

• compuesto (dos o mas materiales)

arseniuro de galio (GaAs)sulfuro de cadmio (CdS)nitruro de galio (GaN)fosfuro de galio arsénico (GaAsP) se

Se componen de dos o más materiales semiconductores de diferentes estructuras atómicas

Los tres semiconductores más frecuentemente utilizados en la construcción de dispositivos electrónicos son Ge, Si y GaAs.

Afectación de las características eléctricas del material que componen los semiconductores

Se utilizan modelos de Bohr:

Para el Ge hay 32 electrones en órbita y para el Si 14 electrones en varias órbitas, pero solo 4 electrones están en la órbita exterior (valencia) siendo el potencial de ionización menor para mover estos electrones en la estructura.

El galio 31 y el arsénico 33

En un cristal puro estos electrones de valencia están unidos a cuatro átomos adjuntos denominándose esta unión covalente.

Material intrínseco: El término intrínseco se aplica a cualquier material semiconductor que haya sido cuidadosamente refinado para reducir el número de impurezas a un nivel muy bajo; en esencia, lo más puro posible que se pueda fabricar utilizando tecnología actual

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

MODELO DE BOHR Y BANDAS DE ENERGÍADentro de la estructura atómica de cada átomo aislado hay niveles específicos de energía asociados con cada capa y electrón en órbita

Cuanto más alejado está un electrón del núcleo, mayor es su estado de energía y cualquier electrón que haya abandonado a su átomo padre tiene un estado de energía mayor que todo electrón que permanezca en la estructura atómica.

El modelo atómico de Bohr establece que cada electrón gira entorno al núcleo del átomo con un nivel de energía determinado. Si un electrón pasa de un nivel de energía a otro se irradia o absorve un fotón.

NIVELES DE ENERGÍA : Mientras más distante se

encuentre el electrón del núcleo mayor es el estado de

energía, y cualquier electrón que haya dejado su átomo,

tiene un estado de energía mayor que cualquier electrón

en la estructura atómica.

Banda de conducción

Banda prohibidaEg > 5 eV

Banda de valencia

Banda de conducción

Banda prohibidaEg = 1.1, 0.67, 1.41 eV

Banda de valencia

Banda de conducción

Banda de valencia

Aislante Semiconductor

Conductor

La energía asociada a cada electrón se mide en electron volts (eV). Se

calcula como [medido en eV]

donde: 1 eV J

MATERIALES EXTRÍNSECOS: MATERIALES TIPO n Y TIPO p

Un material semiconductor que ha sido sometido al proceso de dopado (contaminado adicionar impurezas) se conoce como material extrínseco

Hay dos materiales extrínsecos tipo n y tipo p

Tanto los materiales tipo n como los tipo p se forman agregando un número predeterminado de átomos de impureza a una base de silicio.

Material tipo n: Un material tipo n se crea introduciendo elementos de impureza que contienen cinco electrones de valencia (pentavelantes), como el antimonio, el arsénico y el fósforo

Las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se conocen como átomos donadores.

Existe, un quinto electrón adicional debido al átomo de impureza, el cual no está asociado con cualquier enlace covalente particular. Este electrón restante, enlazado de manera poco firme a su átomo padre (antimonio), está en libre para moverse dentro del material tipo n recién formado, puesto que el átomo de impureza insertado ha donado un electrón relativamente “libre” a la estructura.

Material tipo p: El material tipo p se forma dopando un cristal de germanio o silicio puro con átomos de impureza que tienen tres electrones de valencia. Los elementos más utilizados para este propósito son boro, galio e indio. El efecto de uno de estos elementos, el boro, en una base de silicio

el número de electrones es insuficiente para completar las bandas covalentes de la estructura recién formada.

el vacío resultante se llama hueco y se denota con un pequeño círculo o un signo más, para indicar la ausencia de una carga positiva. Por lo tanto, el vacío resultante aceptará con facilidad un electrón libre:

Las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se llaman átomos aceptores.

Flujo de electrones contra flujo de huecos

Si un electrón de valencia adquiere suficiente energía cinética para romper su enlace covalente y llenar el vacío creado por un hueco, entonces se creará un vacío o hueco en la banda covalente que cedió el electrón.

Existe, por consiguiente, una transferencia de huecos hacia la izquierda y de electrones hacia la derecha

En un material tipo n el electrón se llama portador mayoritario y el hueco portador minoritario.

En un material tipo p, el hueco es el portador mayoritario y el electrón el minoritario.

LA UNIÓN P - N En el material semiconductor la conductividad está controlada por la concentración de impurezas. Al unir un material tipo p con uno tipo n se forma una unión en la que se crea una región denominada de agotamiento.

Esta región se forma debido a que huecos y electrones se combinan dando como resultado una falta de portadores mayoritarios en la región cercana a la unión.

El elemento así formado se denomina DIODO SEMICONDUCTOR

Cuando este dispositivo se conecta a un circuito externo se puede hacer variar la diferencia de potencial en la región de agotamiento

El voltaje en la unión dependerá del tipo de polarización que se presente al conectar el dispositivo al circuito externo.

La aplicación del voltaje en los terminales del dispositivo permite tres posibilidades:

- Sin Polarización - Polarización Inversa - Polarización Directa

El tipo de polarización define el funcionamiento del diodo. Por ejemplo la polarización directa permite al diodo trabajar como un DIODO RECTIFICADOR

SIN POLARIZACIÓN APLICADA

Cerca de la unión los portadores minoritarios del material tipo n pasarán al material tipo p, y viceversa los portadores minoritarios del material tipo p pasarán al material tipo n.

Los portadores mayoritarios del material tipo n deben sobrepasar la región de agotamiento si desean establecer un flujo de portadores hacia la región del material tipo p.

Algo semejante ocurre con los portadores mayoritarios en el material tipo p. Esto puede llevar a una cancelación de flujo de portadores en el dispositivo semiconductor y la corriente para será cero.

En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de la carga en cualquier dirección para un diodo semiconductor es cero

POLARIZACIÓN INVERSA

Al conectar una fuente externa de voltaje el número de iones positivos aumenta en la región tipo n y el de iones negativos en la región tipo p. El resultado es un ensanchamiento de la zona de agotamiento.

Este fenómeno hace que sea más difícil el flujo de portadores de uno a otro tipo de material, y por lo tanto establecer un flujo de corriente es más difícil, pero el número de portadores minoritarios no cambia hacia la región de agotamiento.

A esta corriente que existe bajo las condiciones de polarización inversa se le denomina corriente de saturación inversa .

tiene valores de los micro y nanoamperios y alcanza su máximo nivel rápidamente pero no cambia significativamente con el incremento del voltaje.

POLARIZACIÓN DIRECTA

La condición de polarización en directa o “encendido” se establece aplicando el potencial positivo al material tipo p y el potencial negativo al tipo n

La polarización directa hace que los iones positivos y negativos se recombinen en la región de agotamiento, teniendo como consecuencia la reducción de la zona.

Mientras mayor es el voltaje menor será el ancho de la zona lo que conlleva a que los portadores mayoritarios del material tipo n puedan viajar con mayor facilidad al material tipo p.

CARACTERÍSTICAS V - I

La característica del diodo se puede definir mediante las ecuaciónes:

EJEMPLO A una temperatura de 27°C (temperatura común para componentes en un sistema de operación cerrado), determine el voltaje térmico VT.

CARACTERÍSTICAS DE VOLTAJE Y CORRIENTE

DIODO SEMICONDUCTOR

Analizando la gráfica se puede observar la característica exponencial creciente que tiene la corriente y su tendencia lineal a cumplir la ley de Ohm. Para el valor comercial la curva se encuentra desplazada unas décimas a la derecha esto debido principalmente a la resistencia interna del dispositivo y la resistencia externa del contacto.

REGION ZENER: La aplicación de un voltaje negativo mayor dará como resultado un cambio drástico en las características de la curva.

El voltaje de Zener es aquel que produce un cambio drástico en la corriente haciendo que esta crezca muy rápidamente.

El aumento de portadores en genera la corriente de avalancha en la región Zener. Los diodos que aprovechan estas características se denomina Diodos Zener.

El máximo potencial de polarización inversa que se puede aplicar antes de entrar a la región Zener se denomina voltaje pico inverso (PIV de las iniciales Peak Inverse Voltage o PRV de las iniciales Peak Reverse Voltage).

PIV silicio cerca a 1000 VPIV germanio cerca a 400 V

Para los diodos de Si y Ge las características pueden variar.

Ge 3,0Si 7,0

VVVV

D

D

EFECTOS DE LA TEMPERATURALas características del diodo también dependen de la temperatura.

La corriente de saturación inversa Is será casi igual al doble en magnitud por cada 10°C de incremento en la temperatura.

El silicio puede utilizarse para aplicaciones en las cuales la temperatura puede aumentar a cerca de 200 grados C. Mientras que el germanio tiene un valor máximo mucho menor (100 grados C.)

RESISTENCIA EN DC O ESTÁTICA

La resistencia en DC o estática de un diodo se puede calcular de la curva característica para un determinado punto de operación.

D

DD I

VR

Si se aprecia la curva característica se puede concluir que para valores de voltaje pequeños la resistencia del diodo es pequeña, mientras que para voltajes negativos la resistencia puede ser muy grande.

Ejemplo: Determine los niveles de resistencia DC para un diodo, con (a) , (b) y (c) .

RESISTENCIA EN AC O DINÁMICA

MÉTODO GRÁFICO

La resistencia AC o dinámica se obtiene considerando que el punto de operación Q ya no se encuentra fijo, Q se desplaza y para calcular la resistencia se puede aplicar:

D

Dd I

Vr

Mientras mayor es la pendiente menor es el voltaje para una determinada corriente y menor será la resistencia. La resistencia AC es alta en niveles bajos de corriente.

Ejemplo: Determine los niveles de resistencia ac para un diodo, con (a) , (b) y (c) Comparar los resultados con los obtenidos en el cálculo de la resistencia dc.

puntopor puntod

ddV I

Vr

Método diferencial

El cálculo anterior es un método aproximado pero la pendiente de la línea tangente (en dicho punto) buscada se puede determinar usando la derivada de la ecuación característica.

1k

DT

KV

sDD

eIdVdI

dVd

sDkD

D IITk

dVdI

Con los valores de:

029827325273

600,111

s

Ck

ITT

KnSiGe

DD

D IdVdI 93,38

Dd I

r mV 26

Si se consideran la resistencia interna del elemento (resistencia del cuerpo) y de los terminales de contacto (resistencia de contacto), la ecuación real de la resistencia de un diodo es:

Bdd Rrr '

RESISTENCIA EN AC PROMEDIO (SIN PUNTO DE CARGA)

Se considera esta resistencia cuando la señal de entrada es grande y es la determinada por una línea recta dibujada por los valores máximos y mínimos del voltaje de entrada.

puntopor puntod

ddV I

Vr

Disipación de potencia

suele presentarlos el fabricante de dos maneras

1. El voltaje directo (a una corriente y temperatura especificadas)2. La comente directa máxima (a una temperatura especificada)3. La corriente de saturación inversa (a una corriente y temperatura especificadas)4. El valor de voltaje inverso PIV o PRV 5. El nivel máximo de disipación de potencia a una temperatura en particular6. Los niveles de capacitancia7. El tiempo de recuperaci6n inverso 8. El rango de temperatura de operación

=donde , son la corriente y el voltaje del diodo en un punto de operación en particular.

=0,7

=0,3

CAPACITANCIA DE TRANSICION Y DIFUSION

Los dispositivos electrónicos son sensibles a las frecuencias muy altas.

Casi todos los efectos relativos a la capacitancia pueden omitirse a bajas frecuencias, debido a que su reactancia:

Xc en bajas frecuenciasXc en altas frecuencias

En el diodo semiconductor tipo p-n existen dos efectos de capacitancia que deben considerarse. Ambos tipos de capacitancia se encuentran presentes en las regiones de polarización directa y polarización inversa, pero una sobrepasa a la otra de tal manera que en cada región solo se consideran los efectos de una sola capacitancia

En la región de polarización inversa: capacitancia de la región de transición o de agotamiento ()

en la región de polarización directa se tiene la capacitancia de difusión o de almacenamiento (

Capacitancia de un condensador de placas paralelas esta definida por

C

= permitividad del dieléctrico

A=área de las placas del condensador

d= distancia entre las placas

(altas potencias)

NOTACIÓN PARA DIODOS SEMICONDUCTORES

DIODOS ZENER

El diodo Zener es un diodo construido para que funcione en zonas de rupturas, recibe ese nombre por su inventor, el Dr. Clarence Melvin Zener.

El diodo Zener es la parte esencial de los reguladores de tensión (estabilizador, mantiene el voltaje constante en sus terminales)

El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente

El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente

La ubicación de la región Zener se controla variando los niveles de dopado.

Un incremento del dopado que aumenta la cantidad de impurezas agregadas reducirá el potencial Zener.

Están disponibles diodos Zener con potenciales de 1.8 V a 200 V y coeficientes de potencia de 1/4 W a 50 W.

Por sus excelentes capacidades de corriente y temperatura, el silicio es el material preferido en la fabricación de diodos Zener

Características principales de los diodos Zener

son diodos que están diseñados para mantener un voltaje constante en su terminales, llamado Voltaje o Tensión Zener (Vz) cuando se polarizan inversamente, es decir cuando está el cátodo con una tensión positiva y el ánodo negativa

Cuando se polariza inversamente hasta llegar al Vz el diodo conduce y mantiene la tensión Vz aunque ésta siga aumentando. La corriente que pasa por el diodo zener en estas condiciones se llama corriente inversa (Iz).

Es un estabilizador de voltaje

Cuando está polarizado directamente el diodo zener se comporta como un diodo normal de rectificación

Mientras la tensión inversa sea inferior a la tensión zener, el diodo no conduce

Se logra tener la tensión constante Vz, cuando esté conectado a una tensión igual a Vz o mayor.

Diodos especiales: Varactor, Schottky, Tunel, LED, fotodiodo

Diodos Varactor

Conocidos como varicap, (manejan VVC, capacitancia variable dependiente del voltaje) Su modo de operación depende de la capacitancia que haya en la unión p-n cuando se polariza de manera inversa.

Se emplea en una red de sintonización

Diodo Túnel

El diodo túnel (polarización directa) se fabrica dopando los materiales semiconductores que formarán la unión p-n a un nivel de 100 a varios miles de veces el de un diodo semiconductor típico

Cuando se aplica una pequeña tensión, el diodo túnel empieza a conducir (la corriente empieza a fluir). Si se sigue aumentando esta tensión la corriente aumentará hasta llegar un punto después del cual la corriente disminuye. La corriente continuará disminuyendo hasta llegar al punto mínimo de un "valle" y después volverá a incrementarse. En esta ocasión la corriente continuará aumentando conforme aumenta la tensión.

Este tipo de diodo no se puede utilizar como rectificador debido a que tiene una corriente de fuga muy grande cuando están polarizados en inversa.

aplicaciones reducidas como en circuitos osciladores de alta frecuencia

Fotodiodos

El fotodiodo (funcionamiento en función de luz) es un dispositivo de unión p-n semiconductor cuya región de operación se limita a la región de polarización en inversa.

fotodiodo se emplea en sistemas de alarmas, como sensores

Diodo LED

El LED (Light-Emitting Diode: Diodo Emisor de Luz), es un dispositivo semiconductor que emite luz de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión p-n en la cual circula por él una corriente eléctrica

Eléctricamente el diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio.

Si se pasa una corriente a través del diodo semiconductor, se inyectan electrones y huecos en las regiones P y N, respectivamente.

Dependiendo de la magnitud de la corriente, hay recombinación de los portadores de carga (electrones y huecos).

El diodo LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros diodos LEDs.

Diodo Schottky

Llamado diodo de barrera Schottky, en honor del físico alemán Walter H. Schottky. Estos diodos se caracterizan por su velocidad de conmutación, una baja caída de voltaje cuando están polarizados en directo (0.25 a 0.4 voltios)

El diodo Schottky está más cerca del diodo ideal

Se aplican en circuitos de alta velocidad como en computadoras

En estas aplicaciones se necesitan grandes velocidades de conmutación y su poca caída de voltaje en directo causa poco gasto de energía