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Tecnología Electrónica
Semiconductores
http://paginaspersonales.deusto.es/jonathan.garibay/
Bibliografía
Principios de Electrónica, Albert Paul Malvino,
McGraw-Hill.
Capítulo 2: Semiconductores
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Conductores
Los conductores, como el cobre (numero atómico 29), tienen un único electrón en la última capa, la órbita de valencia.
La atracción del electrón libre con el núcleo es muy débil.
Una pequeña carga puede hacer que los electrones libres se muevan de un átomo al siguiente.
Los mejores conductores son la plata, el cobre y el oro.
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Conductores (continuación…)
En un conductor los electrones libres se mueven en
todas las direcciones. Como el movimiento es al
azar, tanto en velocidad como en dirección, se
compensan y por tanto la corriente media es 0.
Si se aplica un campo eléctrico al metal, cambia la
situación.
Los electrones se moverán en una sola dirección.I
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Aislantes
Los aislantes tienen completa la órbita de valencia,
de forma que están fuertemente atraídos y es muy
difícil liberarlos.
Los mejores aislantes tiene 8 electrones de valencia.
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Semiconductores
Un semiconductor es un elemento con propiedades eléctricas entre las de un conductor y un aislante.
Los mejores semiconductores tienen cuatro electrones de valencia, como el silicio (14) o el germanio (32).
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Inicialmente se usó el germanio; actualmente el
silicio es la base de la electrónica moderna.
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Semiconductores (continuación…)
Al combinarse los átomos de silicio para formar un sólido, lo hacen según un patrón ordenado denominado cristal.
Cada átomo vecino comparte uno de sus electrones con el átomo central; de esta forma, el átomo central tiene 8 electrones en su orbital de valencia.
Cada electrón compartido está atraído por dos núcleos, y crea un enlace denominado enlace covalente.
El orbital de valencia no
puede contener más de 8
electrones;
por lo que a temperatura
ambiente un cristal de silicio
es casi un aislante.
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Semiconductores (continuación…)
Si se somete a altas temperaturas, los átomos de un
cristal de silicio vibran y un electrón puede salir de la
órbita de valencia;
Se convierte en un electrón libre.
El espacio que se queda en el orbital de valencia se
denomina hueco.
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Semiconductores (continuación…)
La energía térmica crea el mismo número de
electrones y de huecos.
Los electrones libres se mueves aleatoriamente a través
del cristal.
Un electrón que se aproxime a un hueco, será atraído por
éste y caerá en él RECOMBINACIÓN.
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Semiconductores Intrínsecos
Si se coloca un cristal de silicio entre dos placas
cargadas eléctricamente, la recombinación tendrá
un sentido porque los electrones libres serán
atraídos por la carga positiva y/o repelidos por la
carga negativa.
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Dopaje de un Semiconductor
El dopaje es una forma de incrementar la
conductividad de un semiconductor.
Consiste en añadir átomos de impurezas a un cristal
intrínseco, lo que se denominará cristal extrínseco.
Para la fabricación de resistencias se puede utilizar
un semiconductor extrínseco ya que podemos
modificar la conductividad para obtener los
diferentes valores de las resistencias.
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Semiconductor Tipo n
Es un semiconductor extrínseco con impurezas
pentavalentes; es decir, con 5 electrones en su
órbita de valencia.
A las impurezas se las llama donadoras.
Por ejemplo, el Arsenio o el Antimonio
La ‘n’ hace referencia a que tiene una carga negativa.
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Semiconductor Tipo p
Es un semiconductor extrínseco con impurezas
trivalentes; es decir, con 3 electrones en su órbita de
valencia.
A las impurezas se las denomina aceptoras.
Por ejemplo, el Aluminio.
La ‘p’ hace referencia a que tiene una carga positiva.
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El Diodo no Polarizado
Un diodo es un semiconductor dopado de forma que
una mitad sea de tipo p y otra mitad sea de tipo n.
El borde entre la zona de tipo p y la zona de tipo n
se denomina unión pn.
Esta unión pn es la base para los diodos, transistores y
circuitos integrados en general.
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p n
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El Diodo no Polarizado (continuación…)
Debido a la repulsión mutua, los electrones libres del lado n tienden a difundirse en todas las direcciones.
Algunos atraviesan la unión y entran en la zona p donde, al contener huecos, se recombina y se convierte en un electrón de valencia.
Se van formando pares de iones positivo y negativos en cada zona que se llaman dipolos.
Se quedan fijos en la estructura gracias a los enlaces covalentes.
Esta región vacía de carga se llama zona de deplexión.
p n
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El Diodo no Polarizado (continuación…)
Los dipolos se siguen creando en la zona de deplexión
hasta que se llega a una situación de equilibrio.
Cuando los electrones no tienen energía suficiente para
alcanzar los huecos de la zona p.
El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una
diferencia de potencial llamada barrera de potencial.
A 25ºC, la barrera de potencial es aproximadamente de 0,3V
en los diodos de germanio y de 0,7V en los de silicio.
p n
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+-
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Polarización Directa
Se produce cuando el terminal positivo de la fuente
de está conectado al material de tipo p y el terminal
negativo a la zona de tipo n.
En este caso, la fuente obliga a los electrones libres
y a los huecos a desplazarse hacía la unión.
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p n
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+
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Polarización Directa (continuación…)
Estudio del recorrido seguido por un electrón:
+
p ne-
e-
e-
e-
w
Para que el flujo de electrones sea constante, la
tensión aplicada deberá ser mayor que la barrera
de potencial (0,3V para el Ge y 0,7V para el Si)
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Polarización Inversa
Se produce cuando el terminal positivo de la fuente
que está conectado al material de tipo n y el terminal
negativo a la zona de tipo p.
En este caso, el terminal negativo atrae a huecos y
de la zona p y el terminal positivo a los electrones
libres de la zona n.
La zona de deplexión se ensancha.
+
p n
+
+
+
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Polarización Inversa (continuación…)
Estudio del recorrido de los electrones.
Existe una pequeña corriente llamada corriente de
polarización inversa:
Corriente saturación.
Corriente superficial de fugas.
+
p ne-
e-
e-
e-
w
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Disrupción o Ruptura
Existe un límite para la tensión máxima en inversa
con la que se puede polarizar un diodo.
Una vez alcanzada, en la zona de deplexión aparecen de
repente una gran cantidad de portadores minoritarios y el
diodo conduce fuertemente.
Efecto de avalancha
Cuando la tensión inversa aumenta, los electrones libres
se mueven más rápido y colisionan con otros electrones
de valencia, que se liberan.
Un electrón libre genera dos electrones libres y así
sucesivamente.
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