Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1 TEMA 1: SEMICONDUCTORES Mª Dolores Borrás Talavera.

Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1

TEMA 1:

SEMICONDUCTORES

Mª Dolores Borrás Talavera


1. Introducción2. Metales, aislantes y semiconductores:

1. Conducción eléctrica2. Bandas de energía

3. Conducción intrínseca y extrínseca:1. Par electrón-hueco2. Contaminación de un semiconductor

4. La unión P-N5. Estudio cualitativo del transistor de unión

BJT


INTRODUCCIÓN

Átomo: estructura

Ne-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

Borde del núcleo

1er nivel de energía

2o nivel de energía


r1

r3

r2

r= radio orbital

r


Bandas de energía

Ne-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

Ne-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

Ne-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

Si

SiSiSi

Si Si

Átomos de silicio

Cristal de silicio

Borde del núcleo


2o nivel de energía


r1

r3

r2

Niveles de energía de los átomos

Banda de valencia

Banda de conducción

Bandas de energía del cristal

METALES, AISLANTES Y SEMICONDUCTORES


Banda de valencia

llena


vacía

Banda prohibida6 eVBanda de

conducción

Banda de

valencia

1 eV


vacía

Banda prohibida

Banda de valencia

llena

ConductorAislante Semiconductor


CONDUCCIÓN INTRÍNSECA Y EXTRÍNSECA

Conducción intrínseca

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si Si

Si

0ºKC, Si, Ge

Grupo IV de la tabla periódica

1s2

2s2 2p2

3s2 3p2 3d10

4s2 4p2

Faltan 4 electrones en la última capa


CONDUCCIÓN INTRÍNSECA Y EXTRÍNSECA

Conducción intrínseca

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si Si

Si

0ºK

300ºK+

Electrón Hueco


Acción del campo eléctrico

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si Si

Si

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

+


Acción del campo eléctrico

Conclusiones:

La corriente en un semiconductor es debida a dos tipos de portadores de carga: HUECOS y ELECTRONES

La temperatura afecta fuertemente a las propiedades eléctricas de los semiconductores:

mayor temperatura

más portadores de carga

menor resistencia


Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si Si

Si

Impurezas del grupo V de la tabla periódica (Sb):

1s22s22p63s23p64s2 3d104p65s24d105p3


Sb

Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Sb

+

A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados

+

Conducción extrínseca

Fabricación de cristal tipo N



Fabricación de cristal tipo N

Sb

Sb

SbSb

Sb

Sb

SbSb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Impurezas grupo V

300ºK

+

+

++

+

+

++

+

+

+

+

+

+

+

+

Electrones libresCarga móvil

Átomos de impurezas IonizadosCarga estática

Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son electrones libres. Actúan como portadores de carga negativa

Los portadores minoritarios de carga en un semiconductor tipo N son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.

Huecos libresCarga móvil



Fabricación de cristal tipo P

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si Si

Si

Al: aluminioImpurezas del grupo III de la tabla periódica:

1s22s22p63s23p1


Al

Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Al

-+

A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados

+



Fabricación de cristal tipo P

Al

Al

AlAl

Al

Al

AlAl

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Impurezas grupo III

300ºK

-

-

--

-

-

--

-

-

-

-

-

-

-

-

Huecos libresCarga móvil

Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.

Los portadores minoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Electrones. Actúan como portadores de carga negativa.

Electrones libresCarga móvil


La conducción intrínseca es dependiente de la temperatura

La conducción extrínseca depende del grado de dopado o densidad de

donadores / aceptadores


UNIÓN P-N

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

- +

+

+ + +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

Exceso de electrones y de huecos en un semiconductor N y en uno P


UNIÓN P-N

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

-

-

-

- +

+

+ +

+

+-

Zona de transición

Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada ‘zona de transición’. Que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.


Unión P-N polarizada inversamente

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

++

+

+

+

-

-

-

- +

+

+ +

+

-

-

-

-

+

+

+

+

+

La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente por parte de los mayoritarios.

P N


Unión P-N polarizada inversamente

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

++

+

+

+

-

-

-

- +

+

+ +

+

-

-

-

-

+

+

+

+

+

La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa hay circulación de corriente por parte de los minoritarios Corriente inversa muy baja (A-pA)

P N

+- +-


Unión P-N polarizada directamente

La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

++

+

+

+

-

-

-

- +

+

+ +-

-

-

-

+

+

+

+

+P N

+


Unión P-N polarizada directamente

+-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

++

+

+

+

-

-

-

- +

+

+ +-

-

-

-

+

+

+

+

+

La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unión.

P N

+

Concentración de huecos Concentración de electrones


ESTUDIO CUALITATIVO DEL TRANSISTOR DE UNIÓN BJT

Un transistor bipolar está formado por dos uniones PN.

P N P N P N

E C

B B

CE

PNP NPN

B B

C CE E


-

-

-

-

- -

-

-

-

-

--

-

-

-

- +

+

++

+

+

++

+

+

+

+++

++-

-

-

-

--

-

-

-

-

--

-

-

-

-

+

+

++

+

+

++

+

+

+

++ +

+ +

P N N P

Concentración de huecos

+ -

Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP


N P

P

N NP

Si la zona central es muy ancha el comportamiento es el dos diodos en serie: el funcionamiento de la primera unión no afecta al de la segunda



NP P



N PP



N PP

Emisor

Base

Colector

Transistor PNP

El emisor tiene una concentración de impurezas muy superior a la del colector: emisor y colector no son intercambiables

El terminal de base actúa como terminal de control manejando una fracción de la corriente mucho menor a la de emisor y el colector.



P NN

Principio de funcionamiento del transistor bipolar NPN


P NN

Emisor

Base

Colector

Transistor NPN

La mayor movilidad que presentan los electrones hace que las características del transistor NPN sean mejores que las de un PNP de

forma y tamaño equivalente. Los NPN se emplean en mayor número de aplicaciones..

Principio de funcionamiento del transistor bipolar NPN


Conclusiones

Un transistor bipolar está formado por dos uniones PN.

N+P

N-

C

EB

Para que sea un transistor y no dos diodos deben de cumplirse dos condiciones:

•La zona de Base debe ser muy estrecha.

•El emisor debe de estar muy dopado.

Normalmente, el colector está muy poco dopado y es mucho mayor.

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