30 de Marzo de 2015.

SEMICONDUCTORES

Los semiconductores son materiales con coeficientes de resistividad de valores intermedios entre los materiales conductores y los aislantes. Dicho de otro modo, son materiales que en circunstancias normales no conducen la electricidad, pero que al aumentar la temperatura se vuelven conductores (a diferencia de los materiales conductores). Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.

Semiconductores intrínsecos

Un material semiconductor hecho sólo de un único tipo de átomo, se denomina semiconductor intrínseco. Los más empleados históricamente son el germanio (Ge) y el silicio (Si); siendo éste último el más empleado (por ser mucho más abundante y poder trabajar a temperaturas mayores que el germanio).

Cada átomo de un semiconductor tiene 4 electrones en su órbita externa (electrones de valencia), que comparte con los átomos adyacentes formando 4 enlaces covalentes. De esta manera cada átomo posee 8 electrones en su capa más externa., formando una red cristalina, en la que la unión entre los electrones y sus átomos es muy fuerte. Por consiguiente, en dicha red, los electrones no se desplazan fácilmente, y el material en circunstancias normales se comporta como un aislante.

Sin embargo, al aumentar la temperatura, los electrones ganan energía, por lo que algunos pueden separarse del enlace e intervenir en la conducción eléctrica. De esta manera, la resistividad de un semiconductor disminuye con la temperatura (su conductividad aumenta). A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, se les somete al potencial eléctrico, como por ejemplo de una pila, se dirigen al polo positivo. Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, cuyo efecto es similar al que provocaría una carga positiva.

Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente. Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer, desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a

Pág.1

30 de Marzo de 2015.

un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece constante.

Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:

ni = n = p

siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del tipo de elemento.

Ejemplos de valores de ni a temperatura ambiente (27 ºC):

ni(Si) = 1.5 1010cm-3

ni(Ge) = 2.4 1013cm-3

Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. La conducción eléctrica a través de un semiconductor es el resultado del movimiento de electrones (de carga negativa) y de los huecos (cargas positivas) en direcciones opuestas al conectarse a un generador. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas: una debida al movimiento de los electrones libres de la estructura cristalina, y otra debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos. Los electrones libres se dirigen hacia el polo positivo de la pila (cátodo), mientras que los huecos pueden considerarse como portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila, llamado ánodo (hay que considerar que por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica; los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor).

Semiconductores extrínsecos

Para mejorar las propiedades de los semiconductores, se les somete a un proceso de impurificación (llamado dopaje), consistente en introducir átomos de otros elementos con el fin de aumentar su conductividad. El semiconductor obtenido se denominará semiconductor extrínseco. Según la impureza (llamada dopante) distinguimos:

Semiconductor tipo P: se emplean elementos trivalentes (3 electrones de valencia) como el Boro (B), Indio (In) o Galio (Ga) como dopantes. Puesto que no aportan los 4 electrones necesarios para establecer los 4 enlaces covalentes, en la red cristalina éstos átomos presentarán un defecto de electrones (para formar los 4 enlaces covalentes). De esa manera se originan huecos que aceptan el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina. Así, al material tipo P también se le denomina donador de huecos (o aceptador de electrones).

Pág.2

30 de Marzo de 2015.

Semiconductor tipo N: Se emplean como impurezas elementos pentavalentes (con 5 electrones de valencia) como el Fósforo (P), el Arsénico (As) o el Antimonio (Sb). El donante aporta electrones en exceso, los cuales al no encontrarse enlazados, se moverán fácilmente por la red cristalina aumentando su conductividad. De ese modo, el material tipo N se denomina también donador de electrones.

http://pelandintecno.blogspot.mx/2014/04/semiconductores-intrinsecos y.html#sthash.BsUD3Ibz.dpuf

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

GRAFICAS LINEALES Y NO LINEALES

http://es.slideshare.net/angielop/graficas-lineales-cuadradas-y-cubicas http://es.slideshare.net/solartime/relaciones-lineales

Pág.3

30 de Marzo de 2015.

DIODO

Componente electrónico que permite el paso de la corriente en un solo sentido. La flecha de la representación simbólica muestra la dirección en la que fluye la corriente.

En el caso ideal, el diodo se comporta como un cortociorcuito cuando está polarizado en directa y como un circuito abierto cuando está polarizado en inversa. Las curvas características corriente-tensión real e ideal se muestran a continuación:

Una característica importante de un diodo o ideal es la corriente de recuperación inversa. Cuando un diodo pasa de conducción a corte, la corriente en él disminuye y, momentáneamente se hace negativa antes de alcanzar el valor cero, como se muestra en la siguiente figura.

El tiempo trr es el tiempo de recuperación inversa, normalmente inferior a 1us. Los diodos de recuperación rápida se diseñan de modo que tengan trr menores que los diodos diseñados para aplicaciones de 50Hz.

NIVEL DE FERMI

El “nivel de fermi” es un término empleado para describir la mayor concentración de niveles de energía que, teóricamente, pueden alcanzar los electrones a una temperatura, también teórica, de 0º K (cero grado Kelvin o “cero absoluto”). A dicha temperatura se supone que cesa

Pág.4

30 de Marzo de 2015.

completamente todo el movimiento electrónico en los átomos que componen las moléculas de un cuerpo cualquiera.

En un semiconductor diodo sin energizar, el “nivel de fermi” se opone a que los electrones libres que se encuentran presentes en la parte negativa (N) puedan atravesar la barrera de potencial formada en el punto de unión “p-n”, lo que les impide saltar a la parte positiva (P) hasta tanto no reciban la suficiente carga energética que normalmente procede de una fuente de fuerza electromotriz externa, como una batería, por ejemplo. Una vez que los electrones reciban la energía necesaria podrán superar el “nivel de fermi” y atravesar la barrera de potencial para unirse a los huecos existentes en la parte positiva (P) del diodo.

FUNCIONAMIENTO DEL DIODO.

Como ya se explicó anteriormente, en el punto de juntura o unión “p-n” de un semiconductor diodo de silicio se forma una “barrera de potencial” en la que los huecos de la parte positiva, por un lado, y los electrones de la parte negativa, por el otro, alcanzan un punto de equilibrio, creándose alrededor de dicha unión una “zona de deplexión” (conocida también como “zona de carga espacial”, “zona de agotamiento” o “zona de vaciado”), que impide que la corriente eléctrica fluya a través del diodo así formado.

Cuando un diodo no se encuentra energizado, en el punto de unión o juntura “p-n” los huecos y los electrones se

encuentran en estado de equilibrio. Por consiguiente, en ese punto los denominados “niveles de fermi” se emparejan o igualan a ambos lados de la unión. Bajo esas condiciones los electrones y los huecos alcanzan un equilibrio próximo a ese punto y a su alrededor se crea una zona de deplexión.

Para que se pueda establecer un flujo electrónico a través del diodo, será necesario suministrarles energía a los electrones que se encuentran debajo de la línea del “nivel de fermi” para que se puedan mover hacia arriba y pasar a la “banda de conducción” y unirse a los huecos.

POLARIZACIÓN DIRECTA DEL DIODO

Cuando un semiconductor diodo lo polarizamos de forma directa conectándole una fuente de fuerza electromotriz o suministro eléctrico (como una batería, por ejemplo), su lado “P” se vuelve más positivo, lo que ocasiona que se cree una diferencia en altura del “nivel de fermi” en la parte negativa del diodo. Esto facilita que los electrones libres en esa parte alcancen la “banda de conducción” y puedan atravesar la unión o juntura “p-n” pasando a llenar los “huecos” presentes al otro lado de la unión. De esa forma los electrones alcanzarán la banda de conducción, atravesarán la unión “p-n” y saltarán de un hueco a otro en la parte positiva (P) hasta concluir finalmente su recorrido en el polo positivo de la fuente de suministro eléctrico. La situación que se

Pág.5

30 de Marzo de 2015.

produce se puede interpretar como: electrones moviéndose en un sentido y huecos moviéndose en sentido opuesto.

En la ilustración se puede apreciar que la dirección de conducción de los electrones se establece desde la parte derecha o negativa del diodo hacia su parte izquierda o positiva. El movimiento que se observa hacia arriba de los electrones para alcanzar la “banda de conducción”, viene dado por el incremento de energía que les suministra la batería o fuente de energía electromotriz conectada al diodo.

Por tanto, en un diodo polarizado de forma directa, los electrones de la parte negativa (N) que han sido elevados a la banda de conducción, así como los que se han difundido a través de la unión “p-n”, poseen más energía que los huecos presentes en la parte positiva (P). De esa forma los electrones se combinan sin esfuerzo con esos huecos, estableciéndose un flujo de corriente electrónica a través de la unión “p-n”, en dirección al polo positivo de la batería.

POLARIZACIÓN INVERSA DEL DIODO

Cuando el semiconductor diodo se polariza de forma inversa, el lado positivo “P” de la unión “p-n” se vuelve negativo (debido a estar conectado al polo negativo de la batería). En esas condiciones el “nivel de fermi” correspondiente a esa parte positiva crece en altura, impidiendo así que los electrones se puedan mover a través del cristal semiconductor. En la ilustración se pueden observar unas flechas indicando la dirección correspondiente al flujo electrónico tratando de acceder al diodo por su parte positiva sin lograrlo, pues al estar polarizado de forma inversa la “zona de deplexión” se amplía. Además, como se puede ver también, la diferencia de altura del “nivel de fermi” en la parte positiva “P” del diodo aumenta, mientras que en la

parte negativa “N” disminuye. Por tanto, bajo esas circunstancias los electrones presentes en la parte negativa carecerán de la suficiente energía para poder atravesar la unión “p-n”.

http://www.asifunciona.com/fisica/af_diodos/af_diodos_5.htm http://www.dte.uvigo.es/recursos/potencia/ac-dc/archivos/diodo.htm

Pág.6