Introduccin a la ElectrnicaDispositivos semiconductores

Semiconductores y su evolucinMillikan - la naturaleza discreta de la carga elctricaPlanck - la teora qunticaEinstein Efecto fotoelctricoSchrondinger Ecuacin de ondas1948, laboratorios Bell primer transistorGermanioGanancia de voltaje de 100Frecuencias de audio1956 Premio Nobel !!Precio de un transistor 10 $

Semiconductores y su evolucin1961 Primer circuito integrado 4 transistores + 2 resistencias1969 Primer amplificador operacional Costo: 75 $1967 Memoria de 64 bits1968 Memoria de 1024 bits1994 Memoria de 256 megabits2008 - ??

Semiconductores - IntroduccinExisten dos mecanismos asociados al transporte de partculas cargadas en un slidoCorriente de desplazamientoCorriente de difusin

Semiconductores - IntroduccinCorriente de desplazamientoMovimiento aleatorio con un campo elctrico aplicadoMovimiento aleatorio sin un campo elctrico aplicado

Semiconductores - IntroduccinConductividadCorrienteVelocidad de desplazamiento promedioDensidad de corrienteConductividadNmero de portadores de cargaMovilidad

Semiconductores - IntroduccinConductividadplatacobrealuminiografitogermaniosilicioAgua destiladabaquelitamicacuarzoconductoressemiconductoresaisladores

Semiconductores - IntroduccinCorriente de difusinSi existe una elevada concentracin de partculas en una regin comparada con otra, existir un desplazamiento neto de partculas que ecualizara la concentracin luego de un periodo de tiempoConcentracin inicialConcentracin final

Semiconductores - IntroduccinCorriente de difusinRelacin de EinsteinFlujo de partculasConstante de difusinDensidad de corriente (electrones)Densidad de corriente (cargas positivas)Las constantes de difusin y la movilidad estn relacionadas. Ambas constantes relacionan el movimiento de las partculas y las colisiones

Teora de bandas de energaAtomo aislado de hidrogenoModelo de Bohr:la energia de los electrones en sistemas atomicos esta restringida a un limitado set de valores.Cada nivel de energia corresponde a una orbita del electron alrededor del nucleoEl desplazamiento de un electron de un nivel discreto de energia hacia otro de mayor nivel requiere una cantidad de energia extra.Un electron desplazandose hacia un nivel de energia inferior, libera una cantidad discreta de energia

Teora de bandas de energaUn solido esta formado por diversos atomos cuyos niveles de energia interactuan entre si, resultando en un acoplamiento de los niveles discretos de energia formando bandas de niveles de energia permtidos

Teora de bandas de energaDiagrama de bandas de energia

Banda de valencia: los electrones no son moviles, no contribuyendo a la conduccion de corriente electrica.Banda de conduccion: es la banda ubicada sobre la banda de valencia. Se encuentra parcialmente llena. Excitando con una pequena cantidad de energia, se puede iniciar el desplazamiento de los electrones -> corriente electrica.Banda prohibida: esta ubicada entre la banda de conduccion y la banda de valencia. Son niveles continuos de energia que no pueden ser ocupados por portadores de carga.

Teora de bandas de energaClasificacin de los materialesaisladorsemiconductorconductorBanda de conduccin vacaBanda de valencia llenaGran cantidad de energa es requerida para desplazar un electrn de la banda de valencia a la de conduccinLas bandas de conduccin y de valencia se solapan.Existe un gran nmero de electrones en la banda de conduccin a temperatura ambiente. Existen electrones en la banda de conduccin a temperatura ambiente.

Teora de bandas de energaClasificacin de los materiales

Semiconductores: SilicioEstructura cristalinaLa distribucin espacial de los tomos dentro de un material determina sus propiedades.El silicio puede existir en tres formas diferentesAmorfo -> grafitoPolicristalinoCristalino -> diamante

Semiconductores: SilicioEstructura cristalinatomo de silicioEnlaces covalentes

Semiconductores: SilicioPortadoresCuando un enlace de Si-Si es roto, el electrn asociado es un portador de corriente.Equivalentemente, la excitacin de un electrn de la banda de valencia a la banda de conduccin crea portadores -> Electrones en la banda de conduccin son portadoresRemover un electrn de la banda de valencia crea un estado vaco. Este estado vaco, es un segundo tipo de portadores denominado lagunasElectrones y lagunas son portadores en los semiconductores

Semiconductores: SilicioGeneracin de pares electrones-lagunasA elevar la temperatura algunos enlaces covalentes son rotos, y los electrones asociados al enlace son libres de desplazarse bajo la influencia de un campo elctrico externo.Simultneamente, la ruptura del enlace, deja una carga positiva neta en la estructura de valencia -> lagunas Concentracin de electronesConcentracin de lagunasintrnsecoMovilidad de los electronesMovilidad de las lagunasCorriente en un semiconductor

Semiconductores: SilicioCirculacin de corriente en un semiconductor

Silicio con dopajeEl agregado de un pequeo porcentaje de tomos forneos en la estructura cristalina del silicio produce importantes cambios en sus propiedades elctricas. Material tipo N: Dopantes con valencia +5 son utilizados.4 electrones de la banda de valencia forman enlaces covalentes con los tomos vecinos de silicio. El electrn restante esta dbilmente ligado al tomo de impureza, actuando como un electrn libre.Impurezas donoras: donan un electrn a la banda de conduccin.Fsforo, arsnico, antimonio

Silicio Tipo NConcentracin de tomos donoresConductividad

Silicio Tipo P TIPO PDopantes con valencia +3 son empleados: Boro, Galio, Indio.Para completar el enlace covalente con tomos de silicio, un electrn es atrado de la banda de valencia dejando una laguna.impureza aceptora: acepta un electrn de la banda de valencia

SemiconductoresTerminologaSemiconductor intrnseco: semiconductor sin el agregado de impurezasDonor:tomos de impurezas que incrementan la concentracin de electronesAceptortomos de impurezas que incrementan la concentracin de lagunasPortadores mayoritarios:Los portadores mas abundantes en un semiconductor. Electrones en material tipo N y lagunas en material tipo P.Portadores minoritarios:Los portadores menos abundantes en un semiconductor. Electrones en material tipo P y lagunas en material tipo N

Juntura P-NLa concentracin de tomos donores es mayor que la de aceptoresA temperatura ambiente,Cada electrn de los tomos donores tiene suficiente energa para escapar de su tomo y puede desplazarse libremente.Los tomos aceptores han adquirido un electrn de la banda de valencia, dejando lagunas que circulan libremente aislados

Juntura P-N en equilibrioUn diodo de juntura consiste de un material Semiconductor tipo P en contacto con un material N.ConsideracionesRegion P N_A atomos aceptoresRegion N N_D atomos donoresN_D>N_ANo existe potencial externo aplicadoRegin N: Los electrones cercanos a la juntura se difunden desde la regin con alta concentracin de electrones (regin N) a la regin con baja concentracin de electrones (region P).Regin P: Las lagunas se difunden hacia la regin N.

Juntura P-N en equilibrioLos electrones que se difunden a la regin P dejan tomos ionizados + en el lado N.Las lagunas dejan tomos ionizados en la regin P.Regin de deplecin : capa de iones sin neutralizarDensidad de cargaCampo elctricopotencialEl campo elctrico desplaza los electrones fuera de la regin de deplecinCorriente de desplazamientoCorriente de difusin Corriente de desplazamientoN PN P=EQUILIBRIO : otros electrones de la regin N no pueden migrar hacia la regin P porque son repelidos por los iones negativos de la regin P y atrados por los iones negativos de la regin N

Juntura PN en equilibrioCampo elctricopotencialConcentracin de portadoresNiveles de energaUna barrera de potencial es generada para mantener el equilibrio

Potencial de contactoRepresenta la barrera de potencial que debe ser sobrepasada para que un portador de carga se difunda a travs de la juntura

Juntura PN polarizacin directaAl ser polarizada directamente la juntura PN, el potencial de juntura disminuye.Los electrones se difunden hacia la regin P y las lagunas hacia la regin NLa corriente de difusin es la dominanteCorriente de difusinCorriente de desplazamiento

Juntura PN polarizacin inversaLa barrera de potencial aumenta. El campo electrico se intensifica.La capa de deplecin se ensancha.La corriente de difusin se hace cercana a ceroCorriente de difusinCorriente de desplazamiento

Juntura PNEQUILIBRIOPolarizacin directaPolarizacin inversa

El diodo La corriente de lagunas y la corriente de electrones son asumidas como corrientes de difusin.

Corriente de saturacin inversa : es funcin del rea de juntura, de las constantes de difusin, concentracin de equilibrio y longitud de difusin de los portadores minoritariosTensin de ruptura inversa

Modelo del diodo

El diodo Efecto zenerSi un voltaje negativo suficientemente elevado es aplicado, la juntura PN experimentara una rpida avalancha y conducir en la direccin inversa.Los electrones de valencia que son liberados bajo la influencia del campo elctrico aplicado, son acelerados colisionando con otros electrones creando una avalancha.En esta regin, pequeos cambios en el voltaje aplicado pueden causar grandes variaciones de corriente. Modificando el espesor de la capa donde el voltaje es aplicado, el efecto zener puede ocurrir a tensiones inversas desde los 4 volts hasta cientos de volts.

El diodo Aplicaciones RectificadoresReguladoresCircuitos de enclavamientoCircuitos lgicosLEDs, fotodiodos

RectificadoresRectificador de media onda

Rectificador de onda completa

RectificadoresRectificador de onda completa

Rectificadores con filtro RC

Rectificadores con filtro RCRizado en filtros RC (ripple)

RectificadoresEjemplo: Cargador de batera

Reguladores

Recortadores

Circuitos lgicos con diodos