TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC DIVISION DE INGENIERIA ELECTRONICA Y TELEMATICA

Reporte de material didáctico desarrollado durante el los periodos 2005-2 y 2006-1 Denominado: “Apuntes de la materia de Física de los Semiconductores” Prof. Raúl Torres Concha Ecatepec, Mexico a 14 de Julio del 2006

UNIDAD I.- MATERIALES SEMICONDUCORES INTRODUCCION Históricamente el germanio fue el primer semiconductor utilizado en la fabricación de dispositivos semiconductores. Sin embargo rápidamente el silicio tomó su lugar y en la actualidad la mayoría de los dispositivos y circuitos integrados se fabrican en obleas de dicho semiconductor. Aparte del germanio y del silicio que son semiconductores simples, existen otros semiconductores llamados compuestos, entre los cuales podemos citar: GaAs, GaP, InSb, CdS que son compuestos binarios o también los compuestos terciarios .El campo de aplicación principal para los materiales anteriormente mencionado es la optoelectrónica, la cual cobra cada día mayor importancia. 1.1CRECIMIENTO DE CRISTALES En el caso especifico del silicio, en su obtención se utilizan silicatos (arena) o cuartiza, la cual se calienta en la presencia de carbono en un horno eléctrico. silicio así obtenido es 98% puro. Posteriormente el silicio e transforma en compuesto (tetracloruro de silicio), el cual es purificado por destilaciones sucesivas. Por último se realiza una reducción por hidrógeno (a 1 000°C) para obtener silicio puro, este se deposita sobre un substrato adecuado (generalmente Silicio). Sin embargo el silicio depositado es un material policistalino, que puede ser utilizado bajo esta forma, en la elaboración de dispositivos. De e manera se hace necesario una etapa más, esta es la obtención de un monocristal. Las principales técnicas de crecimiento de cristales utilizan el proceso de c cimiento a partir de un baño de material fundido a alta temperatura (1 412 para el silicio, 937°C para el germanio y 1 240°C para el arseniuro de galio). METODO DE CZOCHRALSKI En este método se funde el silicio policristalino colocado en un crisol a temperatura de fusión. En el material fundido se agrega una cantidad de impurezas (0.1 mg/kg para una impurificación de 1015 cm3 de átomos donadores aceptores, fósforo o boro). Un cristal de alta calidad llamado semilla, por movimiento vertical se pone en contacto (figura siguiente) con el baño del material fundido, posteriormente se aplica un movimiento de rotación. Una parte de la milla se disuelve en el baño, de esta manera su superficie exterior, la cual puede tener defectos, se elimina y el contacto en la interfase está “limpio”. Se continúa con el movimiento de rotación de la semilla y muy lentamente comienza a tirar hacia arriba dicha semilla figura 3.lb. El cristal comienza enfriarse y el material fundido se adhiere, así entonces se forma un cristal con misma orientación cristalina de la semilla. El control riguroso de la velocidad tiramiento y del gradiente de temperatura en la interfase superficie-baño, permite mantener constante el diámetro de la barra cristalina (lingote). De estar manera se pueden fabricar lingotes cilíndricos de diámetro superior a 10 cm. longitud de 1 m. Esta técnica también se utiliza en el crecimiento de germanio arseniuro de galio.

Por ultimo, el lingote se corta en obleas (wafers) las cuales se atacan químicamente para eliminar los defectos producidos en el corte y pulidas a espejo. En este punto la oblea se puede utilizar en la fabricación de dispositivos.

METODO DE BRIDGEMAN Este método consiste en la solidificación del material fundido, siguiente la orientación cristalina de la semilla que se utiliza como material inicial. El montaje consiste de un crisol móvil en la cámara de un horno donde existe n gradiente de temperatura (figura siguiente). Después de haber fundido el material, sin fundir totalmente la semilla, por desplazamiento progresivos del crisol en la dirección de temperaturas decrecientes, se induce la cristalización del material fundido a partir de la semilla. Es posible impurificar el lingote por la agregación de impurezas adecuadas.

METODO DE LA ZONA FLOTANTE En este método no existe crisol, lo cual evita la contaminación del material por impurezas de éste. Una barra de material policristalino colocado vertí mente, se calienta localmente por inducción hasta fundir una pequeña región. La parte fundida permanece estable entre las dos partes sólidas de la barra efecto de capilaridad. Posteriormente por desplazamiento del sistema de calentamiento por inducción se traslada la zona flotante, lo cual se traduce por la fusión del material policristalino de un lado y por su cristalización en el otro l (figura siguiente). Una semilla apropiadamente elegida asegura la orientación cristalográfica del lingote. Entre las desventajas de este método podemos señalar: Esfuerzos térmicos en el cristal, crecimientos interfaciales no planos y alta densidad de dislocaciones.

1.2 REDES CRISTALINAS El germanio y el silicio se unen por medio de uniones covalentes. Debido a la naturaleza de la unión covalente 1os átomos de un elemento semiconductora se distribuyen siguiendo un patrón geométrico definido, la posición de cada átomo en relación con el átomo al que se une determina la forma en que se aparean los electrones .La disposición ordenada de los átomos de acuerdo con tal patrón, se conoce como el retículo cristalino .La característica principal de los materiales cristalinos es que el mismo patrón se repite en toda la estructura molecular del material. Por otro lado los materiales de otro tipo son de estructura relativamente desordenada.

Estructura cristalina del germanio(o para el silicio)

1.3 BANDAS DE ENERGIA Se debe considerar que en el caso los átomos de un buen conductor, es fácil desprender un electrón de sus órbitas de valencia y, de ahí se deduce hacer esto solo se requiere poca energía, por otro lado es difícil el mismo cometido en el caso de un aislante ya que se requiere mucha energía. Para el caso de los semiconductores se requiere menos energía que el caso de los aislantes, pero más que para los semiconductores. De lo anterior se puede concluir que la energía requerida para liberar a los electrones en los tres tipos fundamentales de materiales, es lo que determina sus respectivas bandas de conducción y puede representarse por medio de diagramas de bandas de energía, los cuales nos indican que tan fácil o difícil es liberar un electrón para iniciar la conducción.

Del análisis de los diagramas anteriores, se puede observar que el ancho de la banda prohibida determina la cantidad de energía que se debe adicionar al electrón de valencia, para que pueda llegar a la banda de conducción. Según las teorías de Bohr y de Sommerfeld sobre la estructura atómica. podemos imaginar la distribución de los electrones en diferentes capas y subniveles alrededor del núcleo. Aquellos electrones que están más próximos al núcleo tienen una misma energía y están agrupados en la llamada banda saturada (B.S.). Existe otra zona más separada del núcleo llamada banda de valencia (B.V.),en la que los electrones son semílibres, finalmente, la zona más alejada, en la que los electrones tienen la energía suficiente para moverse por el cuerpo formar la denominada banda de conducción (B.C). Entre las bandas citadas hay unas zonas desprovistas de electrones llamadas bandas prohibidas (B.P,), según se puede apreciar en los siguientes diagramas:

Distribución de las bandas de Energía Según la teoría de las bandas de energía, y centrándonos en las de valencia y conducción, podemos hacer una clasificación de los cuerpos atendiendo a sus características eléctricas. • Conductores: Tienen solapadas la B.V. la B.C. ‘. por tanto, los electrones pueden moverse por el cuerpo estando sometidos a la influencia de un campo eléctrico de intensidad discreta. Su resistividad es del orden de 2 micro-ohms.cm • Semiconductores: La separación entre las bandas es de 1 eV aproximadamente, consiguiendo los electrones con relativa facilidad pasar a la B.C, Su resistividad oscila entre 100 y l0 megohms.cm. • Aislantes: La separación entre las bandas es tal que solamente alterando la estructura del cuerpo los electrones lograrían pasar la B. P, siendo su resistividad muy grande. En la figura siguiente se representa dicha clasificación. 1.4 MATERIALES INTRINSECOS Se considera como apropiados para fines prácticos, denominar al material de la retícula cristalina del silicio o germanio, como material intrínseco, por solo contener prácticamente átomos tetravalentes (por supuesto en la práctica existen algunas impurezas, casi imposibles de eliminar).

HUECOS Y ELECTRONES LIBRES Se supone que un material semiconductor puro tiene una estructura reticular tal que cada átomo siempre puede “ver” 8 electrones de valencia; gracias a ello todos los átomos cuidan de ser estables y el material entero se comporta como un aislante. No hay electrones “libres” —término que se aplica a los electrones de valencia cuyo nivel de energía ha alcanzado el de la banda de conducción o se aproxima a dicho nivel, y que, por lo tanto, liberan fácilmente. Pero en la práctica no es así. Pues, aun a la temperatura ambiente, siempre hay la suficiente energía calorífica para elevar el nivel energético algún electrón de valencia que, entonces, se escape de su capa. Tales electrones, una vez que se liberen, comienzan a moverse como les da la gana, pasando de la capa de valencia de un átomo a la del otro. Ahora bien, todos los electrones de valencia de los átomos están ocupados en formar las uniones de par electrónico; sin embargo, al pasar un electrón libre por la capa de un átomo, se rompe una unión. Entonces, en este átomo, donde debiera haber un electrón, ahora hay un espacio vacío llamado hueco. Hace rato, estaba allí un electrón de valencia, pero se ha erado debido a una agitación térmica. Por tanto, desde el punto de vista práctico, es muy importante el hecho un semiconductor puro —o cualquier compuesto— siempre tiene algunos electrones libres que pueden formar una corriente. Además, los semiconductores tienen uniones del tipo covalente, de modo que los huecos reptan fácilmente nuevos electrones. También, cabe considerar otro aspecto: si los huecos aceptan fácilmente los electrones y la agitación térmica continúa afectando diversos electrones de valencia, habrá muchos cuyo nivel de energía se eleve hasta el punto en que pueden dar un pequeño salto de una capa de valencia a la siguiente para llenar un hueco n ella, aunque no puedan desplazarse al azar, como los electrones libres, cuando esto sucede, el hueco “brinca” a la unión covalente de la cual provino el electrón. Este hueco, lo puede llenar a su vez otro electrón de valencia, de manera que el hueco parece moverse nuevamente. Como resultado, los semiconductores puros usados en diversas aplicaciones siempre tienen algunos electrones libres y huecos que se mueven en forma caótica. 1.5 MATERIALES EXTRINSECOS TIPO n Y TIPO p Las características de los materiales semiconductores pueden alterarse de modo considerable mediante la adición de ciertos átomos de impureza en el material semiconductor relativamente puro. Estas impurezas, aunque quizá sólo se agregue 1 parte en 10 millones, pueden alterar la estructura de bandas lo suficiente como para cambiar totalmente las propiedades eléctricas del material. Un material semiconductor que se ha sometido a este proceso de impurificación se denomina material extrínseco. Hay dos materiales extrínsecos de importancia invaluable para la fabricación de dispositivos semiconductores; el tipo n y tipo p. Cada uno se describirá con cierto detalle en los siguientes párrafos. Material tipo n Tanto los materiales tipo n corno los tipo p se forman agregando un número predeterminado de átomos de impureza a una base de silicio o germanio. El tipo n se crea añadiendo todos aquellos elementos de impureza que tengan cinco electrones de

valencia (pentavalentes), como antimonio, arsénico y fósforo. El efecto de estas impurezas se indica en la figura siguiente (empleando antimonio como impureza en una base de silicio). Nótese que los cuatro enlaces covalentes aún están presente Sin embargo, Sin embargo, hay un quinto electrón adicional debido al átomo de impureza, el cu no está asociado con algún enlace covalente particular. Este electrón sobrante, un do débilmente a su átomo padre (antimonio), se puede mover más o menos con cie ta libertad dentro del material tipo n recién formado. Puesto que el átomo de impureza insertado ha donado a la estructura un electrón relativamente “libre”, las impurezas con cinco electrones de valencia se denominan átomos donadores. Es importante o conocer que aún cuando un gran número de portadores “libres” se hayan establecido en el material tipo n, éste siga siendo eléctricamente neutro, porque idealmente el número de protones con carga positiva en el núcleo se mantiene igual al número de electrones “libres” y orbitales con carga negativa en la estructura.

Impureza de antimonio en un material N El efecto de estas impurezas se indican en la figura 1.6 (empleando antimonio como impureza e una base de silicio). Nótese que los cuatro enlaces covalentes aún están presente Sin embargo, hay un quinto electrón adicional debido al átomo de impureza, el cu no está asociado con algún enlace covalente particular. Este electrón sobrante, un do débilmente a su átomo padre (antimonio), se puede mover más o menos con cierta libertad dentro del material tipo n recién formado. Puesto que el átomo de impure2 insertado ha donado a la estructura un electrón relativamente “libre”, las impurezas con cinco electrones de valencia se denominan átomos donadores. Es importante o conocer que aún cuando un gran número de portadores “libres” se hayan establecido en el material tipo n, éste siga siendo eléctricamente neutro, porque idealmente el número de protones con carga positiva en el núcleo se mantiene igual al número de electrones “libres” y orbitales con carga negativa en la estructura. El efecto de este proceso de impurificación sobre la conductividad relativa pw de describirse de mejor manera empleando el diagrama de bandas de energía de 1 figura 1.7. Obsérvese que un nivel de energía discreto (denominado nivel donado aparece en la banda prohibida con una Eg bastante menor que la del material intrínseco. Los electrones “libres”, resultado de las impurezas añadidas, se ubican e este nivel de energía y no tienen ninguna dificultad para absorber una cantidad suficiente de energía térmica para moverse hacia la banda de conducción a temperatura ambiente.

El resultado es que, a esa temperatura, hay un gran número de portadores (electrones) en el nivel de conducción y la conductividad del material aumenta de manera importante. A temperatura ambiente, en un material de Si intrínseco existe aproximadamente un electrón libre por cada 1012 átomos (1 en l0 para el Ge). Si nuestro nivel de dosificación fuera de 1 en 10 millones (l0), la proporción (1012/ lO = l0) indicaría que la concentración de portadores se ha incrementado en una proporción de 100,000:1.

Material tipo p El material tipo p se forma impurificando un cristal puro de germanio o silicio con átomos de impureza que tengan tres electrones de valencia. Los elementos que se emplean con mayor frecuencia para este propósito son el boro, el galio y el indio. El efecto de uno de estos elementos (el boro) sobre una base de silicio se indica en la figura 1.8. Nótese que ahora hay un número insuficiente de electrones para completar los enlaces covalentes de la red recién formada. La vacancia que resulta se denomina hueco y se presentan por medio de un pequeño círculo o signo positivo, debido a la ausencia de carga negativa. Puesto que la vacancia resultante aceptará de inmediato un electrón “libre”, las impurezas añadidas reciben el nombre de átomos aceptores. El material tipo p resultante es eléctricamente neutro, por las mismas razones que las del material tipo n. El efecto de un hueco en la conducción se muestra en la figura 1.9. Si un electrón de valencia adquiere suficiente energía cinética para romper su enlace covalente y llenar la vacancia creada por un hueco, se creará una vacancia o hueco en el enlace covalente que liberó a ese electrón. En consecuencia, hay una transferencia de huecos hacia la izquierda y de electrones hacia la derecha, como se muestra en la figura 1.9. La dirección que se empleará en este libro es la que corresponde al flujo convencional, la cual se indica mediante la dirección del flujo de huecos.

Impureza de Boro en un material tipo

HUECOS Y ELECTRONES LIBRES Se supone que un material semiconductor puro tiene una estructura reticular tal que cada átomo siempre puede “ver” 8 electrones de valencia; gracias a ello todos los átomos cuidan de ser estables y el material entero se comporta como un aislante. No hay electrones “libres” —término que se aplica a los electrones de valencia cuyo nivel de energía ha alcanzado el de la banda de conducción o se aproxima a dicho nivel, y que, por lo tanto, liberan fácilmente. Pero en la práctica no es así. Pues, aun a la temperatura ambiente, siempre hay la suficiente energía calorífica para elevar el nivel energético algún electrón de valencia que, entonces, se escape de su capa. Tales electrones, una vez que se liberen, comienzan a moverse como les da la gana, pasando de la capa de valencia de un átomo a la del otro. Ahora bien, todos los electrones de valencia de los átomos están ocupados en formar las uniones de par electrónico; sin embargo, al pasar un electrón libre por la capa de un átomo, se rompe una unión. Entonces, en este átomo, donde debiera haber un electrón, ahora hay un espacio vacío llamado hueco. Hace rato, estaba allí un electrón de valencia, pero se ha erado debido a una agitación térmica. Por tanto, desde el punto de vista práctico, es muy importante el hecho un semiconductor puro —o cualquier compuesto— siempre tiene algunos electrones libres que pueden formar una corriente. Además, los semiconductores tienen uniones del tipo covalente, de modo que los huecos reptan fácilmente nuevos electrones. También, cabe considerar otro aspecto: si los huecos aceptan fácilmente los electrones y la agitación térmica continúa afectando diversos electrones de valencia, habrá muchos cuyo nivel de energía se eleve hasta el punto en que pueden dar un pequeño salto de una capa de valencia a la siguiente para llenar un hueco n ella, aunque no puedan desplazarse al azar, como los electrones libres, cuando esto sucede, el hueco “brinca” a la unión covalente de la cual provino el electrón. Este hueco, lo puede llenar a su vez otro electrón de valencia, de manera que el hueco parece moverse nuevamente. Como resultado, los semiconductores puros usados en diversas aplicaciones siempre tienen algunos electrones libres y huecos que se mueven en forma caótica. UNIDAD II.- NIVEL DE FERMI-DIRAC, CONDUCTIVIDAD Y DIFUSION DE CARGAS.

Nivel de Fermi-Dirac La estadística de Fermi-Dirac, establece la probabilidad máxima de ocupación de los niveles de energía por un electrón. Así, la probabilidad F(w) de que un estado de energía W, sea ocupado por un electrón esta dado por la relación:

De otras consideraciones y consideraciones se establece: EL NIVEL FERMI ES EL NIVEL ENERGETICO QUE TIENE UNA PROBABILIDAD DE OCUPACION DEL 50%, DENTRO DE UN SISTEMA DE EQUILIBRIO TERMODINAMICO Consecuencias de la Estadística de FERMI-DIRAC a). La introducción de átomos DONADORES en el cristal de silicio intrínseco, se traduce en el diagrama de bandas de energía, como la inserción de un nivel de energia posible Wb cercano a la banda de conducción. b). Dada la consideración anterior el nivel de FERMI-EXTRINSECO, es en consecuencia superior al nivel de FERMI-INTRINSECO. 2.1 NIVEL DE FERMI EN LOS SEMICONDUCTORES INTRINSECOS La siguiente figura ilustra la distribución de FERMI-DIRAC y a ocupación de os estados en un semiconductor intrínseco. El nivel de FERMI esta ubicado en el centro del intervalo de energía, de modo que el numero de electrones en la banda de conducción es igual al numero de huecos en a banda de valencia.

2.2 NIVEL DE FERMI EN LOS SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS La ocupación de estados en un conductor perfecto (izquIerda, barra angosta) semiconductor intrínseco (derecha, díagrama de bandas anchas) con el mismo nivel de FERMI a temperaturas bien por encima de cero °K. Ad centro está función de distribución de FERMIDIRAC, que da probabilidad de ocupación, o la fracción de estados ocupados entre ks disponibles. El grado de obscuridad de la sombra es proporcional a la función de estados ocupados, esto es, el valor de la función de FERMI-DIRAC. EJ efecto de banda prohibida d semiconductor es la eliminación de una porción de la distribución.

La intensidad de la sombra es proporcional a la fracción de los estados ocupados que está dada por la función de FERMI-DIRAC /(E). En este caso el nivel de FERMI es desplazado hacia arriba desde el centro del intervalo debido a los electrones adicionales presentes. En un semiconductor extrínseco tipo-n, los electrones de donadores ionizados pueden llenar los hoyos de la banda de valencia así como entrar a la banda de conducción. Esto desplaza la distribución completa hacia arriba, como se ilustra en la figura 6.6. Si se aumenta la concentración de los átomos donadores, el nivel de FERMI se eleva. Sin embargo, en un material tipo-p la banda aceptadora puede acomodar electrones de las bandas de conducción y de valencia. Esto desplaza el nivel de FERMI hacia abajo como se indica en la siguiente figura:

La intensidad de la sombra es proporcional a la fracción de estados ocupados, la que está dada por la función de FERMI-DIRAC ¡(E). En este caso el nivel de FERMI es desplazado hacia abajo a la disponibilidad de niveles aceptadores para los electrones. La separación del nivel FERMI de la banda aceptora o donadores se hace tan pronunciada que la probabilidad de ionización ya no es muy sensible a la temperatura porque menos electrones ocupan estos estados. En consecuencia la densidad de los portadores solo es sensible a la temperatura cuando se alcanza la temperatura para el comportamiento intrínseco. 2.3 CONDUCTIVIDAD. Cuando a un semiconductor se le aplica un campo eléctrico se superpone al movimiento desordenado de los portadores por agitación térmica un movimiento de arrastre en el sentido del campo eléctrico para huecos y en sentido contrario para electrones, figura siguiente. El movimiento de arrastre se debe a la aceleración por campo que sufren los portadores durante su trayectoria libre media (distancia que recorren entre choques sucesivos provocados por las vibraciones térmicas de la red cristalina así como por impurezas y defectos). Si suponemos que para valores pequeños de campo eléctrico el tiempo de relajación es independiente del valor de campo y que las colisiones son elásticas, la velocidad de arrastre de los portadores es proporcional al campo eléctrico aplicado.

. Donde las movilidades dependen además de la naturaleza del cristal, de la concentración de impurezas y de la temperatura. Es decir, la conductividad del semiconductor homogéneo con la hipótesis de movilidad constante no varía proporcionalmente con la concentración como podría pensarse de las relaciones 1.10.9 y 1.10.10. La figura 1.23 representa las variaciones de la resistividad en función de la concentración de impurezas la cual muestra la disminución de la movilidad de los portadores mayoritarios en semiconductores fuertemente extrínsecos.

2.4 PROCESO DE DIFUSION La difusión, fenómeno que traduce la tendencia que tienen todas las partículas de uniformar su número volumétrico en el volumen de que disponen, es con la implantación iónica, el procedimiento mejor conocido y más extendido para introducir una determinada cantidad de impurezas en un cristal de silicio. La difusión es muy fuerte en los gases, lo es menos en los líquidos y muy débil en los sólidos: por lo general, aumenta con la temperatura. Para obtener circuitos integrados, se hace difundir, localmente y por etapas sucesivas, las impurezas en las plaquetas de silicio acondicionado ventanas en el óxido que las recubre. Este procedimiento es interesante pues permite el tratamiento simultáneo de varias plaquetas.

MOVILIDAD Las causas de un desplazamiento de cargas móviles, pueden ser dos: un campo eléctrico “E” y un gradiente del número volumétrico. Cuando existe un campo eléctrico “E” en un gas de cargas móviles, debido a la fuerza Fi que se ejerce sobre cada una de ellas, así movimiento de agitación térmica se le sobrepone un desplazamiento de las cargas. Este desplazamiento es el origen de la corriente de conducción. La velocidad que adquieren las cargas es proporcional al campo eléctrico.

2.5 ECUACION DE CONTINUIDAD DE LAS CARGAS MOVI LES La ecuación de continuidad es un balance para el número volumétrico de cargas móviles (huecos ó electrones libres), contenidos en un volumen de semiconductor y tiene por objeto estudiar el flujo de comente en una unión “PN” respecto de los portadores libres hacia afuera y hacia adentro de un volumen infinitesimal en el espacio.

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3.1 TECNICAS DE FABRICACION DE DIODOS En esta sección se revisaran brevemente los aspectos tecnológicos más importantes de la fabricación de diodos. Dado lo amplio y complejo que puede ser el tema, nos limitaremos en gran parte a los aspectos cualitativos del tema, ya que para analizar rigurosa y cualitativamente los problemas se requerirían introducir conceptos de física-química y metalurgia que quedan fuera de nuestros alcances. Desde el punto de vista experimental existen tres formas principales parar formar diodos; el método de crecimiento de unión, el de al y e] de difusión. En el método de crecimiento de unión, se hace crecer un semiconductor, por ejemplo, a partir de un fundido que inicialmente es de tipo n, que mientras el cristal se está formando, se vuelve a impurificar agregando suficientes impurezas receptoras de tal manera que la porción del cristal que posteriormente sea tipo p. La unión resultante es más bien de tipo gradw absoluto. Aunque se puede observar un control preciso de tas concentración impureza a ambos lados de la unión por este método, la dificultad para local unión en el cristal crecido y el problema que representa unir conductores regiones angostas de la unión crecida, han impedido que se generalice esta técnica de elaboración. Sin embargo, tiene cierta importancia histórica ya que los dispositivos de unión p-n se prepararon originalmente mediante este proceso. En el método de aleación se usa un pequeño trozo u hoja de material r aleación, que se fusiona sobre el cristal base del semiconductor. El trozo de m contiene las impurezas que darán origen al tipo de conductividad opuesto cristal original; una vez que se ha fundido, se eleva la temperatura a un va suficientemente alto para permitir que el material fundido disuelva hasta cierto to el cristal semiconductor subyacente, como se indica en la figura (b). L líquida es, entonces, una solución del material semiconductor dentro de la alt líquida que se satura más o menos a la temperatura máxima de fabricación. 1 que la solubilidad de equilibrio del semiconductor en el metal líquido aui normalmente con la temperatura, cuando el dispositivo se enfría con lentamente.

Etapas sucesivas en la fabricación de un diodo.

Solución se supersatura con respecto al soluto y algunos átomos de semiconductor disuelto se recristalizan en la interfaz líquido-sólido continuando la estructura de un solo cristal de substrato. Puesto que la fase líquida contiene las impurezas asociadas con el tipo de conductividad opuesto al del cristal original, el material recrecido tendrá una conductividad opuesta y se produce una unión p-n en la interfaz del material original y el recrecido. Con un enfriamiento subsecuente, toda la fase de aleación se solidifica y, entonces, el problema de establecer las conexiones eléctricas en el cristal original y en el trozo de aleación resolidificado, es cuestión sencilla,este proceso se ilustra esquemáticamente en la figura siguiente. En la práctica, las uniones p-n se pueden fabricar con facilidad utilizando germanio tipo ti como material base e iridio puro (punto de fusión 156°C) como agente de aleación. En este caso, la capa recristalizada estará saturada de indio haciendo que esta región sea tipo p y, a decir verdad, de un fuerte tipo p. Si el material de base es germanio tipo o con un contenido moderado de,impureza el dispositivo es fuertemente asimétrico y la región p tiene una impurificación mucho más marcada que la n. Se pueden obtener concentraciones de impureza mucho más altas en la región p incorporando una pequeña cantidad de galio al indio, ya que la solubilidad en equilibrio en fase sólida del galio en el germanio es mayor que la del indio. Las capas n recristalizadas se pueden formar sobre cristales de germanio tipo P de un modo similar, utilizando hojuelas o trozos de aleaciones de plomo y antiica monio, o estaño Y antimonio. En cristales de silicio, las uniones por aleación se pueden lograr utilizando hojuelas o trozos de aluminio u oio-antimonio. Los procesos de aleación proporcionan casi siempre uniones muy abruptas. Esto es muy apropiado para los requisitos de fabricación; en particular, es muy sencillo hacer simultáneamente dos uniones a ambos lados de un cristal delgado, formando así una estructura de transistores p-n-p o n-p-n al que se pueden sujetar con suma facilidad los cables de emisor, base y colector (véase la figura ). Aunque a veces es difícil ejercer un control dimensional estricto en dispositivos fabricados por el proceso de aleación, la facilidad y simplicidad de la técnica ha heeación elio que se utilice profusamente corno método de producción para muchos tipos diferentes de dispositivos. En el método de dijósión, se utiliza un elemento de impureza que se difunde a una temperatura elevada dentro de un cristal cuya conductividad es opuesta a la que se produce debido a la presencia de la impureza de difusión en la red cristalina. La profundidad de la unión localizada por debajo de la superficie del cristal y el gradiente de concentración de impureza en la unión se puede controlar regulando el tiempo de difusión y la temperatura, así como la concentración superficial de la impureza de difusión.

Las uniones fabricadas por difusión pueden ser graduales o muy abruptas, dependiendo del tiempo de difusión, la concentración superficial y la densidad de impurezas en el cristal original. Aunque la adición de los cables a las capas difundidas presenta ciertos problemas técnicos, la facilidad y presicion con que se puede controlar el espesor de las capas difundidas ha conducido al uso generalizado de la difusión como técnica en la fabricación de dispositivos semiconductores. 3.2 DIODO EN ESTADO DE EQUILIBRIO En un diodo en equilibrio se cumple siempre la condición de neutralidad de carga, esto es, el número de cargas negativas existentes es igual al numero de cargas positivas. Por lo cual el número de donadores por centímetro cúbico en la banda de conducción debe ser igual al numero de aceptores por centímetro cúbico en la misma banda. 3.3 POLARIZACION DIRECTA Si toma la unión pn e invierte las conexiones de la batería de tal forma que la terminal positiva de la batera se conecte al material p. y la terminal negativa se conecte al material n. ahora tiene una unión polarizada directamente. Cuando la unión pn se polariza directamente, los electrones exteriores en el material tipo-p cercanos a la terminal positiva de la batería entran a esta creando nuevos huecos. Simultáneamente, desde la terminal negativa de la batería entran electrones al material tipo-n y se difunden hacia la unión. Así pues, la región de agotamiento se transforma en una región más estrecha y efectiva. El exceso de electrones desde el material tipo-n no se imita más al material tipo-n, gracias al ancho de a barrera de la capa de agotamiento Los electrones ahora pueden circular fácilmente a través de la unión y moverse hacia la terminal positiva de la batería a través de los huecos en el material tipo-p. Así pues, la corriente fluye muy fácil a través de la unión. A medida que se aplica un voltaje de polarización directa más grande, el flujo de corriente aumenta, siendo limitado esencialmente por la resistencia del material. Cuando no se tenga una resistencia limitadora se debe evitar una comente excesiva de polarización directa, ya que ésta puede producir un daño permanente en la unión, debido al sobrecalentamiento de ésta. En la unión pn polarizada directamente, circulará una pequeña comente, hasta que la capa de agotamiento sea muy estrecha. Dado que dicha capa tiene un potencial a través de ella, como anteriormente se discutió, es necesario vencer este voltaje de polarización (estrechando la capa de agotamiento), antes de que circulen cantidades considerables de corriente, se debe observar que todos los dispositivos discretos, como los diodos transistores, etc., así como los IC, usan las uniones pn en sus diferentes configuraciones, para hacer su trabajo.

Como se muestra en las ilustraciones, para la unión pn o diodo, puede fluir una corriente alta (con una baja caída de voltaje). Cuando la unión del diodo se polariza directamente y esencialmente no fluye corriente cuando la unión del diodo se polariza inversamente- hasta que se alcanza el voltaje de rompimiento inverso, al llegar a este punto, el flujo de corriente se hace demasiado grande y el diodo será destruido. Las uniones del diodo se pueden ver como un interruptor automático, esta cerrado cuando el material tipo p, es relativamente negativo. Recuérdese que lo importante es el voltaje a través del diodo, no el voltaje en cualquier parte del circuito. La mayoría de los diodos que se usan en la actualidad utilizan materiales semiconductores hechos de silicón, sin embargo, para algunas aplicaciones también se usa el germanio. Ya que la región de agotamiento nunca esta completamente ausente, esta toma un pequeño voltaje a través del diodo para hacer que la corriente fluya, aun cuando la polaridad sea la correcta para obtener un alto flujo de corriente. Esta cantidad es alrededor de 0.5 y para el silicio y de 0.25 V para los diodos de germanio. El símbolo para el diodo semiconductor se muestra abajo

La flecha apunta en la dirección del flujo de corriente convencional. Los diodos tienen polaridad y por tanto los circuitos deben colocarse en la dirección correcta. Los diodos pequeños se marcan con una banda para indicar el extremo del cátodo. Los diodos grandes usan el símbolo del diodo para indicar su polaridad. Como anteriormente se mostró. Los diodos vienen en muchas presentaciones, dependiendo de sus valores nominales. Los diodos pequeños que se usan en aplicaciones de baja corriente, en circuitos de hasta lA de corriente promedio. Generalmente se empaquetan en un tubo simple de gas o plástico, como se muestra en el dibujo Los diodos para manejar grandes cantidades de corriente se colocan en recipientes de metal y a menudo se montan por medio de tomillos sobre placas de metal para conducir el calor hacia afuera Los valores nominales de los diodos están dados en términos de la capacidad de máxima comente y la capacidad de corriente directa promedio, así como en términos de su voltaje inverso o voltaje máximo inverso. Ninguno de estos valores pueden excederse, de otra forma el diodo sería destruido Para la unión

pn del diodo, los valores nominales del voltaje inverso se aplican al valor instantáneo de voltaje máximo inverso, a través del diodo. Algunos diodos especiales son del tipo de contacto de punta. Estos fueron los primeros diodos, e implican la formación de una unión alrededor del punto de contacto por medio de un proceso adecuado después de que el diodo es ensamblado. Estos diodos generalmente se usan para aplicaciones especiales en los circuitos de alta frecuencia. 3.4 POLARIZACON INVERSA Cuando se conecta una batería a través de una unión pn, la cantidad de flujo de corriente depende de la forma en que se conecte la batería (polaridad) y de su cantidad de voltaje. La unión pn está polarizada inversamente cuando la terminal positiva de la batería se conecta al extremo del material tipo-n (cátodo) y la Terminal negativa se conecta al del material tipo-n son atraídos hacia la terminal positiva de la batería, alejándose de la unión. Los huecos del material tipo-p. son atraídos hacia la terminal negativa de la batería, alejándose también de la unión. Así pues, la región de agotamiento se hace más grande en el área de unión. Este crecimiento de la región de agotamiento en la unión, crea una región con pocos electrones y pocos huecos. Este dilatamiento mantiene el flujo de corriente a valores muy bajos, debido a que los huecos y los electrones son empujados en direcciones opuestas, como se muestra en el diagrama. Así pues. si la unión pn se polariza inversamente, el flujo de comente es extremadamente pequeño debido a que la resistencia de la unión es altísima. Si el voltaje inverso se hace demasiado grande, se crea una condición donde la resistencia de la unión cae muy rápidamente, y sucede un aumento muy grande en la corriente sin que se presente un aumento adicional en el voltaje. Esto sucede debido a que el voltaje es lo suficientemente grande para hacer que la unión se rompa; el voltaje al que le sucede este efecto se le llama voltaje inverso de rompimiento o el voltaje de pico inverso. Sin embargo, normalmente es necesario evitar que esto suceda, debido a que la unión del semiconductor se puede destruir por los intentos de operar de esta manera.

3.5 CARGA ALMACENADA Y CAPACITANCIA DE LA UNION En el diodo semiconductor p-n, son dos los efectos capacitivos que deben considerarse, pues se presentan tanto en polarizacion directa como en inversa, pero uno importa mas que el otro dependiendo de la polarizacion, y así tenemos. En la región de polarizacion inversa tenemos la capacitancia de la región de agotamiento (Ct), dicha región (libre de portadores) en esencia se comporta como un aislador entre las capas de carga opuesta, como dicha región aumnenta con el aumento de la polarizacion inversa, entonces la capacitancia de transición disminuira. Cuando el diodo esta polarizado en directa, se presenta la llamada capacitancia de difusión (Cd) o de almacenamiento, y ella depende directamente de la corriente que resulta en el diodo, así los niveles crecientes de corrientes originaran valores mas grandes de capacitancia de difusión, por tanto el aumento de los valores de corriente con su consecuente aumento de valores de capaciancia de difusión, reducirá la resistencia interna, lo cual sera muy importante para la constante de tiempo interna del diodo que depende del multiplo RC , que es muy importante en aplicaciones de conmutación en alta velocidad. Sin embargo para aplicaciones de mediana y baja frecuencia dichos efectos no son tan predominantes.

Capacitancia de transición y de difusión contra la polarizacion aplicada para un diodo de silicio UNIDAD IV. TIPOS DE DIODOS DE SILICIO 4.1 DIODO ZENER Anteriormente al estudiar el diodo semiconductor; en él se expresaba que, al polarizar un diodo inversamente, se podía alcanzar la destrucción de éste de dos formas, por efecto avalancha o por efecto zéner. Pues bien, esta limitación (ruptura por efecto zéner) es aprovechada en el diodo zéner, encontrando sus principales aplicaciones en reguladores de tensión y como elementos de referencia de tensión para otros circuitos. De su estudio nos ocuparemos en el presente material, primero, como componente aislado y. posteriormente, como elemento regulador. DESCRIPCION BASICA El diodo zéner basa su funcionamiento en el efecto zéner, de ahí su nombre. Recordemos que, en polarización inversa y alcanzada esta zona, a pequeños aumentos de tensión corresponden grandes aumentos de corriente. Este componente es capaz de trabajar en dicha región cuando las condiciones de polarización lo determinen y, una vez hayan desaparecido éstas, recupera sus propiedades como diodo normal, no llegando por este fenómeno a su destrucción salvo que se alcance la corriente máxima ( zéner) indicada por el fabricante. Lógicamente, la geometría de construcción es diferente al resto de los diodos, estribando su principal diferencia en la delgadez de la zona de unión entre los materiales tipo P y tipo N, así como de la densidad de dopado de los cristales básicos. Sus parámetros principales son: • Vz = Tensión nominal de zéner. Polarización inversa en torno a la cual su funcionamiento es efectivo. • Iz min = Mínima corriente inversa que ha de atravesar el diodo para asegurar su correcto funcionamiento, también llamada corriente de mantenimiento. •Iz max = Máxima corriente inversa que lo puede atravesar con garantía de no destrucción. •Pz = Potencia de disipación nominal del componente que no debe ser sobrepasada.

Diversos símbolos del diodo tener FUNCIONAMIENTO Como se ha establecido, el tener esta diseñado para trabar con polarizacion inversa, careciendo de interés en polarizacion directa. Cuando el zéner está polarizado inversamente, con pequeños valores de tensión se alcanza la corriente inversa de saturación, prácticamente estable y de magnitudes despreciables a efectos prácticos. Si sigue aumentando la tensión de polarización inversa se alcanza un determinado valor, denominado tensión de codo o de giro, donde los aumentos de corriente son considerables frente a los aumentos de tensión (apréciese en torno a esta tensión la curvatura de la gráfica). Sobrepasada esta zona, a pequeños incrementos de tensión corresponden aumentos elevados de la corriente Iz. Alcanzada la circunstancia anterior, nos encontramos en la región de trabajo efectivo del zéner. Debemos hacer ciertas consideraciones en este momento: 1. Se ha de asegurar que, en régimen de trabajo. el diodo sea atravesado como mínimo por una corriente inversa, Izmin expresada por el fabricante para excluir la región de giro del funcionamiento normal. 2. No se debe sobrepasar en ningún caso Izmax para asegurar la supervivencia del componente. 3. Estos dos valores de Iz llevan asociados un par de valores de tensión, Vz; aproximadamente, el valor medio de ellos representa la tensión nominal de zéner Vznom. Se suele expresar en las características un porcentaje de tolerancia sobre la tensión nominal. 4. La potencia disipada en cada momento, Pz, vendrá expresada por el producto de los valores instantáneos de Vz e Iz. 5. Los valores de Izmin e Izmax con sus valores de Vz, asociados representan la región de trabajo. En estos momentos estamos en condiciones de asegurar que, en la región de trabajo, el zéner es capaz de mantener en sus extremos una tensión considerablemente estable.

Características tensión-corriente 4.2 DIODO TUNEL En 1958 se introdujo por vez primera el diodo túnel. La característica de este que se muestra en la siguiente figura, es diferente de las correspondientes a los diodos estudiados hasta este punto en lo que se refiere a que tienen una resistencia negativa. En esta región, un incremento en el voltaje terminal causa una reducción de la corriente en el diodo. El diodo túnel se fabrica dopando el material semiconductor que formara la union p-n en un nivel de cien a miles de veces mayor que un diodo semiconductor típico. Esto producirá una región de agotamiento bastante reducida del orden de magnitud de lO-6 cm común alrededor de 1en 100 de ancho de esta región para un diodo semiconductor en esta delgada región de agotamiento donde muchos portadores pueden pasar por el un túnel”, en vez de intentar superarla a potenciales de polarizacion directa bajos que explican el pico en la curva de la figura. Con fines comparativos, la característica de un diodo semiconductor típico se ha superpuesto a la característica del diodo tunel en la figura.

Esta reducida región de agotamiento produce portadores que “atraviesan perforando” a velocidades que superan en mucho a las que se producen en los diodos convencionales. El diodo túnel puede, por lo tanto, utilizarse en aplicaciones de alta velocidad como en las computadoras, donde se requieren tiempos de conmutación del orden de nanosegundos o picosegundos. Los materiales semiconductores que se emplean con mayor frecuencia en la manufactura de diodos túnel son el germanio y el arseniuro de galio. El cociente III es muy importante en las aplicaciones de computadora. Para el germanio es por lo general de 10:1, en tanto que para el arseniuro de galio se acerca a 20:1. La corriente máxima, Ip, del diodo túnel puede variar de unos cuantos microamperes a varios cientos de amperes. Sin embargo, el voltaje máximo está limitado a aproximadamente 600 mV. Por esta razón, un simple VOM con un potencial de batería de cd interna de 1.5 V puede dañar seriamente un diodo túnel si se emplea en forma inadecuada. El circuito equivalente del diodo túnel en la región de resistencia negativa se presenta en seguida, con los símbolos que se emplean con mayor frecuencia para dichos dispositivos. Los valores para cada parámetro corresponden al diodo túnel lN2939 GE, cuyas especificaciones aparecen en su manual correspondiente. El inductor L5 se debe principalmente a las terminales. El resistor Rs es producto de las terminales del contacto óhmico en la unión del semiconductor y de los propios materiales semiconductores. La capacitancia C es la capacitancia de difusión de la unión y la R es la resistencia negativa de la región. La resistencia negativa encuentra aplicaciones en los osciladores que se describirán más adelante.

Diodo túnel. a) Circuito equivalente b) Símbolos

4.3 DIODO VARACTOR El varactor (llamado también capacitancia de voltaje variable, varicap, epicap y diodo sintonizador) se usa mucho en receptores de televisión, receptores de FM, y demás equipo de comunicaciones. La idea básica es la siguiente. En la figura –a-, la capa de empobrecimiento se halla entre la región p y la región o. Las regiones p y n son como las placas de un capacitor, y la capa de empobrecimiento es como el dieléctrico. Cuando un diodo se polariza inversamente, la anchura de la capa de empobrecimiento aumenta con el voltaje inverso. Como la capa de empobrecimiento se ensancha cuando el voltaje inverso aumenta, la capacitancia disminuye. Es como si las placas del capacitor se separasen. La idea es que la capacitancia está controlada por el voltaje. En la siguiente figura se muestra el circuito equivalente para un diodo con polarización inversa. A frecuencias más altas, el varactor actúa igual que una capacitancia variable. Tambien se ilustra la variación de la capacitancia con el voltaje inverso. Esta gráfica muestra que la capacitancía se hace más pequeña cuando ci voltaje inverso se hace más grande. Lo realmente importante aquí es que el voltaje inverso controla la capacitancia. Esto es la puerta de entrada para el control remoto. En la figura c se aprecia el símbolo para un varactor. ¿Cómo se emplea este dispositivo? Puede conectarse un varactor en paralelo con un inductor para obtener un circuito resonante. Entonces se puede calcular el voltaje inverso para cambiar la frecuencia resonante. Este es el principio de la sintonización de una estación de radio, un canal de TV, etcétera.

4.4 DIODO RECTIFICADOR La familia de rectificadores está concebida especialmente para esta aplicación, aunque los tipos de baja potencia también pueden ser empleados como diodos de señal o conmutación en circuitos de continua o baja frecuencia y en aquellos de tipo digital que no requieran unas velocidades muy elevadas. El encapsulado de estos diodos depende de la potencia que hayan de disipar Para los de baja y media potencia se emplea el plástico hasta un límite de alrededor de 1 vatio Por encima de este valor se hace necesario un encapsulado metálico y en potencias más altas deberá estar la cápsula preparada para que pueda ser instalado el diodo sobre un radiador de calor por medio de un sistema de sujeción a tornillo Cualquier sistema rectificador de con fuentes tanto monofásicas como trifásicas o polifásicas, se realiza empleando varios diodos. Según una forma de conexión denominada en puente. No obstante. También se utiliza otro sistema con dos diodos como alternativa de puente en algunos circuitos de alimentación monofásicos. Debido al gran consumo a nivel mundial de diodos que más tarde son empleados en montajes puentes, los fabricantes decidieron en un determinado momento realizar ellos mismos esta disposición, uniendo en fábrica los cuatro diodos y cubriéndolos con un encapsulado común. Esto dio lugar a la aparición de diversos modelos de puentes de diodos con diferentes intensidades máximas de corriente y, por lo tanto con disipaciones de potencia más o menos elevadas, en la misma forma que los diodos simples. En los tipos de mayor disipación la cápsula del puente es metálica, y esta preparada para ser montada sobre un radiador. Características

• Corriente directa máxima ( If) • Tensión directa (Vd), para una corriente (If) • Tensión inversa máximo de pico de trabajo (VRWM) • Tensión inversa máximo de pico repetitivo (VRRM) • Corriente máxima de pico (Ifsm) • Corriente inversa máxima de pico (IRM),medida a (VRRM) • Potencia total ( P / tot) Estas características deberán ser tomadas en cuenta en el momento de la elección del modelo mas adecuado para cada aplicación, procurando no ajustarse demasiado a los valores limite, ya que ello acortaría demasiado la vida útil del componente.

UNIDAD V. TRANSISTORES BIPOLARES La señal de radio o televisión recibida por una antena es tan débil que no sirve para excitar un altavoz o un tubo de televisión. Por esto la señal débil se debe amplificar hasta que tenga la potencia suficiente para ser útil. Antes de l95l, el tubo de vacío era el elemento principal empleado para amplificar señales débiles. A pesar de que amplifica muy bien, el tubo de vacío tiene varias desventajas. En primer lugar, posee un filamento interno de calentamiento que consume 1 W o más de potencia. En segundo lugar, su vida dura unos cuantos miles de horas, ya que el filamento se quema al cabo de ese tiempo. En tercer lugar, ocupa demasiado espacio. En cuarto lugar disipa calor que eleva la temperatura interna del equipo electrónico. E 1951, Shockley inventó el primer transistor de unión, un dispositivo semiconductor capaz de amplificar señales de radio y televisión. Las ventajas del transistor superan las desventajas del tubo de vacío. En primer lugar, no tiene filamento calefactor; por tanto, consume una potencia mucho menor. En segundo lugar, como un transistor es un dispositivo semiconductor, puede durar indefinidamente. En tercer lugar, como es tan pequeño, ocupa mucho menos espacio. En cuarto lugar, como los transistores ocupan mucho menos calor, el equipo electrónico puede funcionar a temperaturas más bajas. Gracias al transistor se han logrado muchos otros inventos, incluyendo el circuito integrado (CI), pequeño dispositivo que contiene miles de transistores. Las computadoras modernas y otros milagros de la electrónica son posibles gracias al CI. En este capítulo se estudiarán los transistores bipolares, los cuales utilizan electrones libres y huecos. (La palabra bipolar es una abreviatura de “dos polaridades”.) 5.1 Funcionamiento de transistores NPN y PNP La operación básica del transistor se describirá ahora empleando el transistor PNP . La operación del transistor tipo es exactamente igual si se intercambian los papeles que desempeñan los electrones y los huecos. En la figura se ha redibujado el transistor pnp sin la polarización base a colector. Nótense las similitudes entre esta situación y la del diodo polarizado directamente. El ancho de la región de agotamiento se ha reducido debido a la polarización aplicada, lo que produce un denso flujo de portadores mayoritarios del material tipo p al tipo n.

Eliminaremos ahora la polarización base a emisor del transistor pnp como se indica en la figura. Considérense las similitudes entre esta situación y la de un diodo polarizado inversamente . Recuérdese que el flujo de portadores mayoritarios es cero, por lo que sólo se presenta un flujo de portadores minoritarios, como se ilustra en la figura . En resumen, por tanto: Una unión p-n de un transistor está polarizada inversamente, en tanto que la otra presenta polarización directa. En la figura de dos baterias, ambos potenciales de polarización se han aplicado a un transistor pnp, con un flujo de portadores mayoritario y minoritario que se indica. En la figura con dos fuentes, nótense los anchos de las regiones de agotamiento, que indican con toda claridad qué unión está polarizada directamente y cuál inversamente. Como se indica, un gran número de portadores mayoritarios se difundirán a través de la unión p-n polarizada directamente dentro del material tipo n. La pregunta es entonces si estos portadores contribuirán en forma directa a la corriente de base ‘B o pasarán directamente hacia el material tipo p. Puesto que el material tipo n emparedado es sumamente delgado y tiene una baja conductividad, un número muy pequeño de estos portadores seguirá la trayectoria de afta resistencia hacia la terminal de la base. La magnitud de la corriente de base es por lo general del orden de microamperes en comparación con los miliamperes de las corrientes del emisor y del colector. El mayor número de estos portadores mayoritarios se difundirá a través de la unión polarizada inversamente dentro del material tipop conectado a la terminal del colector, como se indica . La causa de la relativa facilidad con la que los portadores mayoritarios pueden cruzar la unión polarizada inversamente puede comprenderse si consideramos que para el diodo polarizado en forma inversa, los portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores minoritarios en el material tipo n. En otras palabras, ha habido una inyección de portadores minoritarios al interior del material de la región base de tipo n. Combinando esto con el hecho de que todos los portadores minoritarios en la región de agotamiento cruzarán la unión polarizada inversamente, se explica el flujo que se indica en la figura .

y descubrimos que la corriente en el emisor es la suma de las corrientes en el colector y la base. Sin embargo, la corriente en el colector está formada por dos componentes: los portadores mayoritarios y minoritarios como se indica en la figura . La componente de comente minoritaria se denomina corriente de fuga y se simboliza mediante Ico (corriente Ic con la terminal del emisor abierta = Open). Por lo tanto, la corriente en el colector se determine completamente mediante la ecuación.

En el caso de transistores de propósito general, lc se mide en miliamperes, en tanto que Ico se mide en microamperes o nanoamperes. Ico , como Ís para un diodo polarizado inversamente, es sensible a la temperatura debe examinarse con cuidado cuando se consideren aplicaciones de intervalos amplios de temperatura. Si este aspecto no se trata de manera apropiada, es posible que la estabilidad de un sistema se afecte en gran medida a elevadas temperaturas. Las mejoras en las técnicas de construcción han producido niveles bastante menores de Ico, al grado de que su efecto puede a menudo ignorarse. 5.2 LOS TRANSISTORES BJT De acuerdo con la teoría de funcionamiento del transistor bipolar, el flujo de corriente a través del transistor es similar al que se produce en un diodo, pero los dos dispositivos difieren en muchos aspectos y el transistor tiene ciertas características básicas que le permiten trabajar como amplificador. Primero, los tres elementos del transistor están inyectados de modo diferente, y segundo, se “cultivan” en tamaños diferentes. Puesto que el emisor debe trabajar con polarización directa y proporcionar la corriente mayoritaria, está intensamente inyectado para producir muchos portadores mayoritarios. El colector, que debe estar polarizado inversamente, suministra la corriente minoritaria; por tanto, está inyectado de modo que tenga pocos portadores mayoritarios. Ello es muy importante porque, si fueran muchos, atraerían a los minoritarios e impedirían que éstos se produzcan por agitación térmica, mientras que así, el colector puede producirlos en número suficiente.

Además, el colector se fabrica en un tamaño mucho mayor que el emisor; gracias a ello, puede producir suficientes portadores minoritarios cuando se le aplica la polarización inversa apropiada y, por tanto, la corriente del colector puede ser casi igual a la del emisor. La base sólo está ligeramente inyectada para que produzca muy pocos portadores mayoritarios y, además, tiene dimensiones pequeñas para que el número de los portadores minoritarios también sea bajo. Es importante que la base tenga poco espesor a fin de que los portadores de corriente se difundan con facilidad en las superficies contiguas al emisor y al colector. Además, el colector se fabrica en un tamaño mucho mayor que el emisor; gracias a ello, puede producir suficientes portadores minoritarios cuando se le aplica la polarización inversa apropiada y, por tanto, la corriente del colector puede ser casi igual a la del emisor. La base sólo está ligeramente inyectada para que produzca muy pocos portadores mayoritarios y, además, tiene dimensiones pequeñas para que el número de los portadores minoritarios también sea bajo. Es importante que la base tenga poco espesor a fin de que los portadores de corriente se difundan con facilidad en las superficies contiguas al emisor y al colector. 5.3 TRANSISTOR BJT COMO AMPLIFICADOR El transistor es un componente que puede realizar una amplia gama de funciones en un circuito electrónico Para ello únicamente se necesita proporcionarle las adecuadas condiciones de trabajo, mediante determinadas tensiones de alimentación y un cierto número de componentes asociado las cuales se puede realizar cualquiera de las aplicaciones que permite este particular elemento. Una de las funciones más importantes es la amplificadora, la cual va a ser descrita a continuación. En primer lugar, es conveniente definir lo que se entiende por amplificador, con objeto de unificar criterios y evitar dudas a lo largo de las explicaciones posteriores.

La función amplificadora consiste en elevar el nivel de una señal eléctrica que contiene una determinada información. Esta señal en forma de una tensión y una corriente es aplicada a la entrada del elemento amplificador, entregando éste a su salida otra señal conteniendo la misma información pero con un nivel de tensión, de corriente o de ambas, más elevado, merced a una determinada cantidad de energía que absorbe de una fuente de alimentación. El transistor es capaz de amplificar corriente, es decir, que a una determinada intensidad aplicada en uno de sus terminales de entrada (emisor o base generalmente) responde con una corriente mayor en el de salid a (colector), sin embargo también es posible amplificar lansion y la potencia.

5.4 APLICACIONES Las aplicaciones más comunes a saber del transistor BJT, son.

• Cuando al polarizar los circuitos de entrada y salida, (especialmente en la llamada configuración en emisor común), se lleva al transistor BJT, a corte y saturación, se obtiene un trabajo de interruptor electrónico estático.

• Cuando al polarizar los circuitos de entrada y salida, (en varias configuraciones), se lleva al transistor BJT, a trabajar sobre algún punto de trabajo Q, sobre su recta de carga, entonces se obtiene un trabajo del transistor como circuito amplificador.

Actualmente, el trabajo como interruptor electrónico estático, en la moderna llamada electrónica digital.

UNIDAD VI. TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO El Transistor bipolar es la espina dorsal de la electrónica lineal. Su funcionamiento se basa en dos tipos de carga, electrones y huecos. Es por eso que se denomina bipolar; el prefijo bi significa “dos”. Para muchas aplicaciones lineales, el transistor bipolar es la mejor selección. Pero hay otras muchas aplicaciones donde el transistor unipolar es el más adecuado. El funcionamiento del transistor unipolar depende de un solo tipo de carga, que puede ser electrones o huecos. Por ello se llama unipolar; el prefijo uni significa “uno”. El transistor de efecto de campo (FET) es un ejemplo de un transistor unipolar. Este capitulo estudia los tres transistores de efecto de campo básicos, su estructura y cómo trabajan. El FET tiene más similitudes con un transistor bipolar que diferencias. Debido a esto, casi todo lo que corresponde a los transistores bipolares se aplica a los transistores de efecto de campo con ciertas restricciones. En otras palabras, casi todo lo que corresponde acerca de la ganancia de voltaje, línea de carga, etc..., se puede interpretar para el nuevo dispositivo que estamos estudiando. Cuando sea posible, utilizaremos semejanzas entre bipolares y FFT para simplificar la exposición. Después de todo, el aprendizaje supone conjuntar todas las cosas y no aislarlas. El transistor de efecto de campo (FET Field-Effect-Transistor) es un dispositivo de tres terminales, que se emplea para una amplia variedad de aplicaciones que coinciden, en gran parte con aquellas correspondientes al transistor BJT descritas, anteriormente. Aunque existen diferencias notables e importantes entre los dos tipos de dispositivos, también existen muchas en común, la diferencia principal entre las dos clases de transistores es el hecho de que el transistor BJT es un dispositivo controlado por corriente, como se ilustra en la figura mientras que el transistor JEIJ es un dispositivo controlado por voltaje, como se ilustra en la figura. En otras palabras, la corriente Ic, en la figura, es una función directa del nivel Ib. Para el FET la corriente lD será una función del voltaje VGS aplicado a la entrada del circuito, como se ilustra. En cada caso la corriente de la salida del circuito se controla por un parámetro del circuito de entrada, en un nivel de corriente en otro un voltaje aplicado.

Así como hay transistores bipolares npn y pnp, existen transistores de efecto de campo de canal tipo n y tipo p. El FET es un dispositivo unipolar que depende únicamente ya sea de la conducción por electrones (canal-n) o por huecos (canal p). El término “electo de campo” en el nombre elegido amerita una explicación. Todos estamos familiarizados con la habilidad de un imán permanente de atraer limaduras de metal sin necesidad de un contacto físico directo. El campo magnético de un imán permanente actúa sobre las limaduras y las atrae hacia el imán a través de un esfuerzo por parte de las líneas flujo magnético, para mantenerlas a tan corta distancia como sea posible. Para el FET se establece un campo eléctrico por medio de las cargas presentes, que controlarán la trayectoria de conducción del circuito de salida, sin necesidad de un contacto directo entre la cantidad que controla y la que es controlada. Cuando se introduce un segundo dispositivo con un rango de aplicaciones semejantes a otro presentado con anterioridad, existe una tendencia oral a comparar algunas características generales de uno contra el otro. Una de las características mas importante del FET, es su alta impedancia de entrada, y superara en muchos cientos de ohms, a la resistencia de entrada de las configuraciones con BJT,caracteristica muy importante en los llamados amplificadores lineales se ca en su diseño. Lo que significa que los BJT son mucho mas sensibles a los cambios en la señal aplicada, o sea que la variación en la corriente de salida es mucho mayor en el BJT que para los Fets, y en forma general los FETs son mas estables a los cambios de temperatura y de tamaño mucho mas reducido lo que los hace muy deseable en los circuitos integrados. Sin embargo las características de construcción de algunos FETs los hace mucho mas difíciles de manejar que los correspondientes BJT. El transistor MOSFE (un perfeccionamiento del FET fundamental), se ha convertido en el dispositivo electrónico fundamental en la construcción de las modernas computadors en los circuitos integrados. 6.1 FUNCIONAMIENTO DE TRANSISTORES JFET Y MOSFET Efecto de campo El término efecto de campo se relaciona con las capas de empobrecimiento alrededor de cada región p como se observa en la figura . Las uniones entre cada región p y las regiones n tienen capas de empobrecimiento debido a que los electrones libres se difunden desde las regiones a dentro de las regiones p. Entonces la recombinación de los electrones libres y huecos crea las capas de empobrecimiento mostradas por las áreas sombreadas de la figura. Nótese el área entre las dos capas de empobrecimiento. Cuando los electrones fluyen desde la fuente hacia el dren, deben pasar a través del canal estrecho entre las dos capas de empobrecimiento. Cuanto más negativo es el voltaje de compuerta, más estrecno será el canal. En otras palabras, el voltaje de compuerta puede controlar la corriente a través del canal. Cuanto más negativo es el voltaje de compuerta, más pequeña será la corriente entre la fuente y el dren.

Como la compuerta de un JFET está polarizada en inversa en vez de estar polarizada en directa, el JFET actúa como un dispositivo contra lado por voltaje en lugar de ser un dispositivo controlado por corriente. En un JFET, la cantidad de entrada que controla es el voltaje compuerta-a-fuente V05. Los cambios en VGS determinan cuanta corriente puede circular desde la fuente al dren. Esto es completamente diferente del transistor bipolar donde la cantidad de entrada que controla es la corriente de base. El voltaje de control va de la mano con una alta impedancia de entrada, mientras que la corriente de control implica una impedancia de entrada menor. COMO TRABAJA En el instante en que el voltaje de alimentación del dren se aplica al circuito, los electrones libres empiezan a circular desde la fuente hacia el dren. Estos electrones libres tienen que pasar a travé del canal estrecho entre las capas de empobrecimiento. El voltaje de compuerta controla el ancho de este canal. Cuanto más negativo sea el voltaje de compuerta, más estrecho será el canal y más pequeña será la corriente de dren. Casi todos los electrones libres que pasan a través del canal fluyen al dren. Por esto, I de fuente es casi igual a I de drenador. Ésta es una aproximación sumamente exacta. El único error es la extremadamente pequeña corriente de inversa de la compuerta. Pero hablamos acerca de más del 99.99% de los electrones libres que van desde la fuente al dren. Por esta razón, todos consideran a la corriente de dren igual a la corriente de la fuente. En la figura, el voltaje de alimentación del dren es positivo y el voltaje de alimentación de la compuerta es negativo. Por esto, el voltaje entre la compuerta y el dren es negativo. En consecuencia, el diodo compuerta-dren está polarizado en inversa. Como se ve, ambos diodos en un JFET, están polarizados en inversa durante el funcionamiento normal.

a.- Circuito de polarización de JFET b.- Canal del JFET con efecto de campo

EL TRANSISTOR MOSFET El transistor MOSFET (en inglés metal-oxide semiconductor FET) cuenta con un surtidor o fuente, un graduador (o compuerta), y un drenador o drenaje. A diferencia del JFET, en el MOSFET el graduador está aislado del canal, por lo que la corriente de graduador es extremadamente pequeña sin importar que el graduador sea positivo o negativo. Al MOSFET en algunas ocasiones se le denomina FET con graduador o compuerta aislada o IGFET (insulated-gate FET). MOSFET DEL TIPO DE EMPOBRECIMIENTO La figura siguiente, muestra un MOSFET de canal tipo n, una barra conductora de material tipo n con una región tipo p a la derecha y un graduador o compuerta aislada a la izquierda. Los electrones libres pueden fluir desde el surtidor o fuente al drenador a través del material tipo n. La región tipo p recibe el nombre de sustrato (o cuerpo); ésta reduce físicamente la trayectoria de conducción a un canal angosto. Los electrones que fluyen del surtidor o fuente al drenador deben pasar a través de este canal angosto o estrecho. A la izquierda del canal se deposita una capa delgada de óxido de silicio (Si02). El óxido de silicio es lo mismo que el vidrio; un aislante. En un MOSFET el graduador o compuerta es metálica. Ya que el graduador, está aislado del canal, la corriente en el graduador es despreciable aun cuando el voltaje de graduador sea positivo. El diodo pn que existe en un JFET se ha suprimido en el MOSFET.

Modo de empobrecimiento La figura siguiente, muestra un MOSFET con graduador o compuerta polarizada negativamente. La alimentación VDD fuerza a los electrones libres a fluir del surtidor al drenador. Estos electrones fluyen a través del canal angosto o estrecho a la izquierda del sustrato tipo p. Como antes, la tensión de graduador puede controlar el ancho del canal. Entre más negativo sea el voltaje en el graduador, más pequeña será la corriente de drenador. Cuando el voltaje de graduador es lo suficientemente negativo, la corriente de drenador se corta. Por lo tanto, con un voltaje negativo en el graduador o compuerta, la operación de un MOSFET es similar a la de JFET.

Puesto que el efecto del voltaje negativo de graduador consiste en “empobrecer” de electrones libres el canal; se llama a la operación con graduador negativo modo de empobrecimiento o de estrechamiento.

Simbología La figura siguiente muestra el símbolo con que se representa un MOSFET del tipo de empobrecimiento.

6.2 Efectos de capacitancia y agotamiento Los efectos de capacitancia y agotamiento son posiblemente mucho mas importantes en los transistores de efecto que en los transistores bipolares ya en los primeros dependen para su funcionamiento de la verificación del fenómeno de aparición de capas llamadas de agotamiento en torno del elemento de control denominado compuerta o graduador, ya que debe recordarse que dicha capa tiene la propiedad de estar formada por iones de carga positiva en la región de material extrínseco tipo N cerca de unión NP y de carga negativa en el material extrínseco tipo P, que se expresa el termino agotado como una ausencia de electrones o de huecos.

En cuanto a los efectos de capcitancia estos tienen que ver con la propiedad de aislar cargas a manera de un capacitor físico y de manera más importante tendrá efecto casi directamente en la corriente de difusión del canal ubicado entre los elementos drenador y fuente (surtidor), ya que gracias al efecto capacitivo será posible la aparición del efecto de campo ocasionado a su vez por el desplazamiento de cargas opuesto a la difusión de cargas . 6.3 Transistor de efecto de campo (aplicaciones) Una de las aplicaciones mas extraordinarias sin duda alguna de los transistores de efecto de campo es en los campos del mundo de las modernas computadoras y de los circuitos integrados que se maneja muy poderosamente en materia de circuitos microprocesadores, todo ello a sido posible gracias al alto poder de integración de los transistores de efecto de campo y a su bajo consumo de potencia. Dispositivos MOS de IC—MSI, LSI, VLSI El primer desarrollo de la tecnología de IC fue restringido debido a que la tecnología bipolar estaba en boga. Esta tecnología se aplicaba en dispositivos MSI que eran utilizados extensamente en electrónica de estado sólido. Sin embargo, la necesidad de proporcionar aislamiento entre los dispositivos en un IC restringe el número de dispositivos que se pueden incluir en él. Además, el consumo de potencia de los dispositivos bipolares producía problemas de disipación de calor cuando la densidad de empaquetamiento era demasiado grande. El desarrollo de la tecnología MOS ha sido un factor fundamental en el desarrollo de los dispositivos LSI y VLSI.

El punto importante es que un dispositivo MOS, esta autoaislado, esto es los MOS se pueden colocar muy juntos sin que requieran un aislamiento especial entre ellos. Además los MOS de muy baja potencia son muy prácticos al empaquetarse juntos donde la disipación de calor no es un gran problema, como lo sería si los dispositivos consumieran una potencia apreciable. Es mas, los dispositivos MOS son simétricos; esto es, la fuente y el dren se pueden intercambiar de tal forma que no sólo se pueden operar en serie sino que también bilateralmente. Así pues, los circuitos complejos y los diferentes modos de operación se vuelven prácticos con los MOS, mientras que en forma bipolar no lo son. Todos estos factores permiten densidades de empaquetamientos muy altas, así como densidades funcionales también muy altas, las cuales a su vez permiten funciones complejas sobre una sola lasca pequeña. La tecnología a LS! permite la construcción de una calculadora con unas pocas lascas. La tecnología VLSI proporciona una computadora sobre una lasca. Algunos paquetes de IC de doble línea (DIP) se muestran en la figura anterior.