Semiconductores

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Semiconductores

 “ELECTRÓNICA DISCRETA  E  INTEGRADA” 

APUNTE:

“SEMICONDUCTORES”

PROFESOR:

                     ALEJANDRO  INDA  R.

2012

Semiconductores

ESTRUCTURA  DEL   ÁTOMO:

Materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio.-

Se compone de partículas  muy pequeñas  denominadas  ATOMOS.-

Estos átomos se pueden clasificar en uno de estos dos grupos:

  • ELEMENTOS.-
  • COMPUESTOS.-

-Para el caso de un elemento, todos los átomos son iguales, Ejemplo: COBRE; ALUMINIO;  CARBONO;  SILICIO; GERMANIO.-

Para el caso de un compuesto, sería una combinación de elementos, Ejemplo: el AGUA,

que estaría compuesta de Hidrógeno y oxígeno; SAL, que esta compuesta de Sodio y  Nitrógeno ( nitrato de sodio ).-

Los  átomos se encuentran formados por partículas subatómicas  en proporciones  diversas.-  como:

  • ELECTRONES .-
  • PROTONES.-
  • NEUTRONES.-

El  ELECTRÒN,  es la carga eléctrica negativa fundamental ( - ), el cual  se  desplaza  en órbitas o capa concéntricas , girando  en torno al núcleo o centro del átomo.-

El  PROTÒN, es la carga positiva  ( + ) fundamental,  que se ubica dentro del núcleo.

El número de protones existentes en el núcleo recibe el  nombre de:        NÙMERO  ATÒMICO.-

De  esta  forma por ejemplo,   se podría decir que el número atómico del COBRE es + 29, ya que  existen 29 protones dentro del núcleo.-

El NEUTRÒN, es una carga neutra fundamental  que  también se encuentra dentro del núcleo.-

b4N2m8A0Wrf8CBhiJtuEXFnoq2RYUfqGKJRZlTuI

Los elementos de átomos  distintos, difieren unos de otros por el número de

Electrones y Protones.-

En su estado natural, un átomo de cualquier elemento, presenta igual número de Electrones y  de Protones .-

En este caso  la carga negativa ( - ) de cada electrón es igual en magnitud a la carga positiva ( + ) de cada protón.-

Las dos cargas OPUESTAS  se cancelan, siendo un ÀTOMO  en estas condiciones ELÉCTRICAMENTE  NEUTRO o en estado de EQUILIBRIO  ELÈCTRICO.-

Uno de los Àtomos mas simples es el de HIDRÒGENO, el cual contiene un Protón en su  núcleo , y se encuentra  balanceado por un Electrón que órbita a su alrededor.-

El segundo Àtomo mas simple, es el HELIO , que presenta dos Protones en su núcleo, balanceado por dos Electrones en órbita a su alrededor.-

lQYEADs=


Un átomo estable presenta una cierta cantidad de energía, la cual es igual a la suma  de las energías de sus electrones .-

Pero a su vez éstos presentan energías diferentes que se denominan: NIVELES  DE ENERGÌA.-

El nivel de energía de un electrón es proporcional a su distancia respecto al núcleo.-

Esto nos lleva a que los niveles de energía de los electrones ubicados en las capas mas alejadas del núcleo son mayores que los que se encuentran en las capas más cercanas a él.-

Los electrones que se hallan en la capa externa o en la ultima órbita se denominan:  ELECTRONES DE VALENCIA .-

mEfZCBiIABN1MEfwoEGhoAgOAEADlBZedMdQiAJZ

Si a un material se la aplica energía en forma de calor, luz, o energía eléctrica , sus electrones ganan energía ; esto puede hacer  que se muevan a un nivel superior de energía .-

Un átomo que a ganado energía se dice que se encuentra en estado de EXCITACIÓN.-

Un átomo que se encuentra en estado de excitación se dice que es INESTABLE.-

Cuando un electrón se ha desplazado hacia la capa exterior de su átomo, la atracción producida por los protones del núcleo será mínima.-

Por tanto si se aplica suficiente energía al átomo, alguno de sus electrones situados en la capa externa o capa de valencia , abandonaran el átomo madre.-

Los electrones que abandonan el átomo madre, se denominan electrones libres, y su movimiento es el causante de la corriente eléctrica en un conductor metálico.-

Cada capa de un átomo sólo puede aceptar cierto número máximo  de electrones, sin perder su estabilidad .-

Ese número recibe el nombre de  CUOTA DE UNA CAPA.-

Los electrones que orbitan al núcleo se encuentran en capas sucesivas denominadas:

K, L, M, N, O, P y Q en orden creciente de distancia respecto al núcleo.-

El número máximo de electrones de cada capa se encuentra determinado por la estabilidad.-

Después que  la capa K se llena con 2 electrones, en la capa L pueden acomodarse hasta 8 electrones .-

El número máximo de electrones en las capas restantes puede ser:

8, 18, o 32 electrones en los diferentes elementos.-

Sin embargo, el máximo de electrones para la ultima capa externa o de

valencia, siempre es de 8.-

PuRHvuRPPuVXFb7lXz7mZ77mbz7nd77nfz7o71ZA

Por Ejemplo el caso del átomo de cobre que presenta un número atómico de  29, La primera capa K se llena con 2 electrones, la segunda capa L se llena con 8 electrones, la tercera capa M se llena con 18 electrones y la ultima capa N se llena con 1 electrón.-

El  estudio de los Semiconductores debe comenzar con una revisión de la estructura de la materia.-

Todo alrededor de nosotros está  compuesto de materia.-

La materia puede aparecer en varios estados, tales como líquido  sólido o gaseoso.- 

Podemos describir la materia como aquella sustancia de que está compuesto cualquier objeto físico.-

Tomemos el agua como ejemplo: Si dividiéramos repetidamente una cantidad dada, hasta obtener la porción más pequeña, sin cambiar sus

CARACTERÌSTICAS QUÌMICAS,

habríamos obtenido una moléculade agua.-

 Una Molécula es, por lo tanto, la más pequeña cantidad de una sustancia dada.-

La molécula simple de agua puede aún ser dividida en los elementos de oxígeno e hidrógeno.-

A,  la menor sub-división de un elemento se le llama  ATOMO; por lo tanto, la molécula de agua puede ser partida en dos átomos de hidrógeno y uno  de oxígeno.-

 En el estudio de los semiconductores  estaremos relacionados con los átomos de Germanio, Silicio, Antimonio, Arsénico, Aluminio y  Galio.-

Será útil para nosotros considerar la estructura  de estos Átomos.-

EL ATOMO DE SILICIO.-

El Silicio es un elemento muy utilizado en la fabricación de Diodos, Transistores Tiristores y Chips en la actualidad.- 

En la figura se ilustra un átomo de Silicio, donde existen  14 protones en su núcleo y 14 electrones ligados alrededor de el, los electrones de valencia se muestran en la última capa y, como en el átomo de Germanio, son cuatro.-

El diagrama simplificado del átomo de Silicio  se ilustra en la fig. -4, mostrando solo la carga neta del núcleo y los electrones de valencia.

Puede verse que es igual al átomo de  Germanio.-

En efecto, puede usarse Igualmente bien el Germanio o el Silicio en la fabricación de componentes u  elementos  Semiconductor

z8ABqAADiABFqABHiACJqAClkVAAAA7

ESTRUCTURA CRISTALINA DEL SILICIO  PURO.

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4iMAajMA4jMRajMR4jMiajMkJbQAAAOw==

ATOMOS  DE  OTRAS  VALENCIAS. -

Hemos dicho anteriormente que, además del Germanio y del Silicio pueden usarse el Antimonio y el Arsénico en la manufactura de Cristales Semiconductores  para fabricar  Diodos , Transistores , Tiristores, Chip.-

En la fig.-5 esta el diagrama simplificado de un elemento  llamado pentavalente.-

Obsérvese que hay cinco electrones de valencia  y una carga neta de cinco protones.-

 Es importante darse cuenta aquí que el número de electrones de valencia puede o no ser diferente para elementos distintos.-

Los dos últimos elementos que nos interesarán son el Aluminio y el Galio.-

En la fig.-6 podemos ver que tienen tres electrones de valencia y una carga neta de tres protones en su núcleo, llamado  trivalente.-

Veremos brevemente como se utilizan estos átomos de distintas valencias, para  la fabricación  de  Material  Semiconductor .-

Sk+gHZKoAMlKKgMelCEjkqhC2XoGB2aKoiiAC+fZCY+Qt3lfiiwGwNdEMAHSnCCFKygBS+IwQxqcIMc7

ESTRUCTURAS CRISTALINAS. -

Ciertas sustancias tienen la aptitud detomar una forma cristalina muy estable, la sustancia cristalina más popular es el DIAMANTE.-

En esta forma cristalina, los anillos de valencia  de los átomos adyacente se traban unos a otros. –

Esta acción de unir  entre sí los anillos de valencia se conoce con el nombre de 

LIGADURAS COVALENTES.-

El Germanio y el Silicio tiene también la aptitud de formar ligaduras covalentes.-

 La fig. -7  muestra de que manera se forma el cristal de Germanio o Silicio puro.-

 Esta estructura mostrará que los electrones de los átomos vecinos están trabados unos a otros, formando enlaces covalentes.-

Teniendo en mente la estructura del átomo, específicamente los electrones de Valencia, podemos decir si un elemento determinado es clasificado como un conductor o un aislador de la Corriente Eléctrica, ya sea  por el grado de dificultad con que los electrones pueden ser desalojados de la ultima capa  u órbita.-

 Aquellos elementos en que los electrones no son desalojados tan fácilmente son llamados  AISLANTES,  por el contrario, todos  aquellos elementos en que los electrones son desalojados fácil mente son buenos  CONDUCTORES.-

 Un elemento que cae en algún punto intermedio, es un SEMI-CONDUCTOR.-

Los Semiconductores son los materiales básicos para la fabricación de  Diodos Transistores, Tiristores , Chips u  otros elementos  electrónicos.-

l2u7AL5ngLoaEH1tiOfwALFml+erCRx+B26ueNpHSILICIO  PURO.

Los materiales  Semiconductores  más utilizados  en  la  fabricación  de  DIODOS TRANSISTORES, TIRISTORES, CHIP, ETC.  son  : el Germanio y el Silicio.-

Sin embargo, para la fabricación  de estos componentes Electrónicos, es necesario controlar las propiedades eléctricas del  Material Semiconductor.-

 Este control  es obtenido, introduciendo  pequeñas  cantidades de impurezas al Material Semiconductor puro, las cuales deben ser elementos de distinta  Valencia, tal como:

ARSÉNICO, ANTIMONIO, ALUMINIO Y  GALIO.-

La relación  entre la impureza y el Germanio o  Silicio , necesita ser solo UNA PARTE EN DIEZ  MILLONES.-

Según los tipos  de  impureza  utilizada, se obtienen  dos tipos de  Semiconductores ,  llamados :

                                   -      SEMICONDUCTOR  TIPO  P.-

                                   -    SEMICONDUCTOR  TIPO  N.-

CRISTAL   SEMICONDUCTOR   TIPO N : (donante )

Deben agregarse al Germanio o Silicio puro,  impurezas como  Arsénico o Antimonio, que presentan  Cinco Electrones en  su anillo u órbita  de valencia.-

Cuatro Electrones de valencia de los  Átomos de Impurezas , forman enlaces covalentes  con los Cuatro  Electrones  de valencia de los Átomos de Germanio o Silicio   vecinos, y el  Quinto  Electrón Queda Libre  para desplazarse a través de la Estructura Cristalina.-

El efecto de agregar Arsénico o  Antimonio al Cristal de Germanio o Silicio se ilustra en la  fig.-8.-

Las impurezas que tienen valencia cinco se les llama impurezas PENTAVALENTES o DONADORAS, debido a que Donan Electrones al Cristal Semiconductor.-

SEMICONDUCTOR  TIPO  N.

M0AH9CsGBAA7

Si  conectáramos  una batería  con  este tipo Cristal Semiconductor  tipo N, habría Conducción.- 

El electrón libre del semiconductor es atraído y  penetra en el terminal positivo de la batería, como se muestra en la fig.-9;  simultáneamente, un electrón deja el terminal negativo de la batería y entra en el semiconductor.-

 Así, se mantiene un flujo continuo de electrones del terminal negativo al positivo, mientras  permanezca  conectada la batería.-

Este tipo de semiconductor  se conoce como tipo N , de  portadores Negativos de  carga.-

MATERIAL  TIPO  N

jCianCK5hCK0zRPohCIrQVQTgDLSTCP7BDpHZDOZ

CRISTAL  TIPO P (aceptante).-

Un  segundo método de modificar un Semiconductor  es agregándole  Aluminio o Galio.-

En nuestra discusión de los elementos, notamos que los  átomos de estos cristales tienen valencia  tres.-

Nótese que estos átomos tienen un electrón de Valencia menos que los de Germanio o Silicio.-

Por lo tanto, un  enlace  covalente queda incompleto, resultando en una deficiencia de un electrón o la presencia de un "HUECO”.-

Esto se ilustre en la fig.-9, donde los átomos de las  impurezas que determinan un hueco en el Germanio o Silicio, son TRIVALENTE   y son llamadas elementos  ACEPTORAS,  debido a  que toman  electrones del cristal o aceptan electrones del Germanio o Silicio.-

Este tipo de Semiconductor se conoce como   tipo   P de  portadores  de carga  Positivos .-

MATERIAL  TIPO  P.

HSJ+agXL3qXTjhC4qxJ8qF3LBQ548F6DHkT5nZ3b

Examinemos como se produce la conducción  de un Semiconductor tipo P.-

La fig.-11 ( a ) muestra un trozo de este tipo de semiconductor en que el hueco se muestra cerca del centro.-

En realidad,  puede estar  colocado en cualquier lugar del semiconductor, pero por simplicidad, hagamos que está  en el centro. –

También se muestra  una batería, y  en el instante en que se conecta dicha  batería, un electrón de un  enlace covalente vecino se mueve de su posición  inicial y llena el hueco.-

Esta acción se ilustra en la fig.-11 ( b ) donde el  movimiento de este electrón de Valencia crea una vacante en el  enlace  covalente que dejó.-

 Nuevamente, un electrón de un  enlace covalente próximo al terminal negativo sale de su ligadura y llena el hueco. –

Esta acción se ilustra en la fig- 11 ( c ), donde el  hueco  está ahora colocado en el extremo del Semiconductor. –

 En esta posición hay  lugar para otro electrón que la fuente de poder (terminal  negativo) envía para que entre en el semiconductor y llene

En el mismo  instante en que un  electrón   enviado por la batería entra en el semiconductor, un electrón del   enlace  covalente  más próximo al terminal  positivo  de la batería,  deja al semiconductor  y, entrando al  terminal  positivo  de la batería.-

La remoción de este   electrón de la ligadura  covalente  resalta  en  la formación de un hueco.-

Un electrón debe  dejar  al  semiconductor , en  orden  a  mantener  las CARACTERÍSTICAS ORIGINALES; esto es,  tener una deficiencia de un electrón.-

Esta acción se ilustra en la fig. –11 ( d ), donde  la conducción es posible dentro del semiconductor tipa P cuando se  coloca   una  batería ría externa ;  los   electrones  de valencia  se  dirigen a  llenar los  huecos  dejados  por  el  movimiento  precedente   de  los  electrones, desde  una  ligadura  covalente  adyacente  .-

Este  proceso  muestra,  COMO  SI  LOS  HUECOS    SE  FUERAN  MOVIENDO  HACIA  EL  POTENCIAL  NEGATIVO  DE  LA BATERÍA..-

En  realidad  son  los  electrones  de  valencia  los  que  se  mueven,  sin  embargo  por  facilidad de  explicación,  consideraremos   movimiento  de  huecos  en  lugar  de  electrones, en  los  semiconductores  tipo  P.-

Ahora  tenemos  dos  tipos  de  semiconductores, el  tipo  N  y  el  tipo  P .-

 El  tipo  N  es  formado  por  un  donante  cuando  se  asocia  Arsénico  o  Antimonio  a  la  estructura  del  cristal, en  que  los  electrones  son  los  principales  conductores  de  corriente.-

El  semiconductor  tipo  P  es  formado  cuando    átomo  aceptor  como  el  Aluminio  o  el Galio  se  asocian  a  la  estructura  del  cristal y en  este  caso,  los  principales conductores  de  corriente  son  los  Huecos  .-

MOVIMIENTO DE PORTADORES DE CORRIENTE  EN  UN  MATERIAL  TIPO  P.

9+q8BO7AF+69perANu5IZ+rBZN7EVW0h6urE9mrE

LA  UNIÓN  P - N:

Los Electrones o huecos en los semiconductores  de cualquiera de los tipos P o N están constantemente en movimiento, o desplazándose en una forma irregular ; actividad intrínseca que tiene lugar sin la presencia de un potencial externo.- Como dijimos al discutir la manufactura de semiconductores  tipo N, el átomo de impureza en este  es pentavalente.- 

Téngase presente que el núcleo de este átomo es  +5   y  hay  un  total de  5  electrones alrededor de él,  los que son iguales en número al núcleo;  en consecuencia,   el átomo de impureza no tiene carga.- 

Pero esta no  siempre  es  la condición,  ya que el electrón libre  ( enexceso)  está  constantemente  en  movimiento.-

Consideremos ahora que el electrón libre se ha movido de su asociación con el átomo de impureza.-

En tal caso, la carga  +5  del núcleo no puede ser igualada por los cuatro electrones de valencia  que lo rodean;  por  lo tanto, el átomo de impureza toma una carga de +1.-

 Puede  verse entonces, que mientras el electrón libre permanece  asociado  con el átomo de impureza,  éste no exhibe carga,  y  tan pronto como se aleja,  el átomo de  impureza  toma  una carga de +1.-

En el semiconductor  tipo P se desarrolla una  actividad similar. –

La introducción dentro del  Silicio de átomos de impureza  trivalentes resulta  una deficiencia de un electrón, o la formación  de un hueco.- 

Nuevamente este hueco  no es fijo en la estructura cristalina, sino que EFECTIVAMENTE se mueve dentro de ella.-

 Al considerar el átomo de impureza trivalente sabemos que tiene una carga de +3  en su núcleo.-

 Debido  a su  naturaleza  rapaz,  toma un electrón de una ligadura covalente vecina para agregarlos a sus  tres  electrones de valencia; corno resultado,  hay un electrón más que los necesarios para satisfacer la carga de +3  del núcleo.- 

El resultado final es que el átomo de impureza toma una carga de -1.-

Mientras el  hueco está asociado con el átomo de impureza,. este no exhibe carga; y  tan pronto como el hueco es llenado, el átomo   de impureza toma  una carga de -1.-

Aunque esta actividad se desarrolla dentro del semiconductor   sin un potencial aplicado, la masa total de un semiconductor,  N  o  P  no  exhibe  carga  ,  o sea  ,  no  podemos  medir una  carga  positiva  o  negativa  en  ninguno  de  los  dos  tipos.-

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oLoREAA7

+GaD5CaADKqD9WaAIeqAKSqALaqAM+qAOGqEJCqE

SIMBOLO  DE  UN  DIODO.

DRrSxWmxOfgAkGdiewSj8bYtfADwghWY3DHjBjkQ

TIPOS  DE  DIODOS.

ngCVFYE82ITyspdOELYdLAJREEhjW0IQCKsivu3J

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A continuación se muestra como los diferentes tipos de junturas se utilizan en el desarrollo de los dispositivos electrónicos de uso corriente.

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Formación de una juntura PN

Una juntura PN se forma cuando se ponen en contacto regiones de tipo P y de tipo N de un mismo material semiconductor (homojuntura) o de materiales semiconductores diferentes (heterojunturas), figura 1.

En principio, estudiaremos una juntura PN de silicio.

La interfase que separa las regiones P y N se denomina unión metalúrgica.

En realidad, este contacto no puede ser realizado colocando en forma adyacente un material con otro debido a la discontinuidad que se produciría.

Según la forma en que se realiza la transición desde la región P a la región N, las junturas pueden clasificarse en: abruptas y graduales. 

La juntura abrupta es aquella en la cual la transición se realiza en una distancia muy corta.

Para la juntura gradual la distancia es mayor.

Whx7rwYIW1gqI6IrHeIhFlhU46GcuphDhx4Pa2AQ

Generalmente, la juntura PN se obtiene cambiando el dopaje del material de tipo N a tipo P (o viceversa) por diferentes procesos: el proceso de difusión durante el crecimiento de la muestra cristalina o el proceso de implantación iónica.

En el proceso de difusión, figura 2, se calienta el silicio a una temperatura muy alta en una atmósfera que contiene el compuesto del elemento que ha de agregarse, por ejemplo Boro, para crear una dopaje tipo P. 

A temperaturas altas el Boro se descompone y se deposita sobre el silicio.

Algunos átomos se difunden sobre la superficie sustituyendo átomos de silicio, moviéndose hacia el interior del cristal.

Cuando se enfría se forma una delgada capa de silicio de tipo P cuya profundidad puede controlarse variando el tiempo, la temperatura 

(900 ºC - 1100 ºC) y la atmósfera para la difusión.

En la implantación de iones, figura 3, se utiliza un haz de iones de energía muy alta (30 - 100 keV) que bombardea directamente el cristal.

El potencial de aceleración controla la profundidad de implantación.

Este método proporciona un mejor control de la distribución del contaminante y en general, se emplea para producir uniones poco profundas.

HzDQzwAj7CEjQVBxkbHR8REyUnKSstLyTWDB4Ugg


La distribución del contaminante en función de la profundidad recibe el nombre de perfil de contaminación

  1. Principio básico de operación

La figura 4 muestra un esquema de la juntura PN y de la concentración de impurezas en las regiones P y N, para el caso de una juntura abrupta uniformemente dopada. Inicialmente, al ponerse en contacto los materiales y sin polarización externa aplicada, en la zona de unión metalúrgica hay un gradiente de concentración de electrones y huecos.

L283tEjqCJa27zmGtSZC2XIiEhyXQOJxSRVXz2su

Los electrones, portadores mayoritarios en la región N tenderán a difundirse hacia la región P, y los huecos, portadores mayoritarios en la región P se difundirán hacia la región N.

Sin embargo, este proceso no puede continuar en forma indefinida.

Cuando los electrones se difunden hacia la región P dejan átomos donadores cargados positivamente.

Del mismo modo, los huecos que se difunden hacia la región N dejando átomos aceptores cargados negativamente.

La diferencia de carga neta positiva y negativa induce un campo eléctrico en la región cercana de la unión y dirigido desde la carga positiva hacia la negativa, es decir, desde la región N a la región P, figura 5.

NezFBV5eUMEDY0siZrozByF7iM2UgKc+ES2fM9yT

La región en la cual se produce el campo eléctrico se denomina región de carga espacial.

Los electrones y los huecos son barridos por el campo eléctrico hacia afuera de la región de carga espacial, dejando esta zona desprovista de portadores móviles, y por ello se la suele denominar zona o región de agotamiento.

Puede considerarse que el gradiente de concentración en los bordes de la región de carga espacial produce una fuerza de difusión sobre los portadores.

El campo eléctrico E en esta región produce una fuerza de deriva sobre los portadores opuesta a la fuerza de difusión, de modo que en el equilibrio las dos fuerzas tenderán a equilibrarse provocando que, sin polarización externa, la corriente neta que circula sea nula, y el nivel de Fermi sea continuo en todo el sistema.

Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante.

 El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno.

Otros semiconductores son el germanio y el selenio.

Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones, denominados electrones de valencia.

Estos átomos forman una red cristalina, en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos, formando enlaces covalentes.

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, que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo.

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Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, que con respecto a los electrones próximos tiene efectos similares a los que provocaría una carga positiva.

Los huecos tienen la misma carga que el electrón pero con signo positivo.

El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los siguientes fenómenos:

- Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de la pila.

- Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila.

  • Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado, siendo constante en todo momento el número de electrones dentro del cristal de silicio.
  • Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor.
  • Por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica.

Semiconductores P y N.

En la práctica, para mejorar la conductividad eléctrica de los semiconductores, se utilizan impurezas añadidas voluntariamente.

Esta operación se denomina dopado, utilizándose dos tipos:

• Impurezas pentavalentes.

Son elementos cuyos átomos tienen cinco electrones de valencia en su orbital exterior.

Entre ellos se encuentran el fósforo, el antimonio y el arsénico.

• Impurezas trivalentes.

Son elementos cuyos átomos tienen tres electrones de valencia en su orbital

exterior.

Entre ellos se encuentran el boro, el galio y el indio.

Cuando un elemento con cinco electrones de valencia entra en la red cristalina del silicio, se completan los cuatro electrones de valencia que se precisan para llegar al equilibrio y queda libre un  quinto electrón que le hace mucho mejor conductor.

De un semiconductor dopado con impurezas  pentavalentes se dice que es de tipo N.

Z

En cambio, si se introduce una impureza trivalente en la red cristalina del silicio, se forman tres enlaces covalentes con tres átomos de silicio vecinos, quedando un cuarto átomo de silicio con un electrón sin enlazar, provocando un hueco en la red cristalina.

De un semiconductor dopado con impurezas trivalentes se dice que es de

tipo P.

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Unión PN

Cuando a un material semiconductor se le introducen impurezas de tipo P por un lado e impurezas tipo N por otro, se forma una unión PN .

Los electrones libres de la región N más próximos a la región P se difunden en ésta, produciéndose la recombinación con los huecos más próximos de dicha región.

En la región N se crean iones positivos y en la región P se crean iones negativos.

Por el hecho de formar parte de una red cristalina, los iones mencionados están interaccionados entre sí y, por tanto, no son libres para recombinarse.

Por todo lo anterior, resulta una carga espacial positiva en la región N y otra negativa en la región P, ambas junto a la unión.

Esta distribución de cargas en la unión establece una “barrera de potencial” que repele los huecos de la región P y los electrones de la región N alejándolos de la mencionada unión.

Una unión PN no conectada a un circuito exterior queda bloqueada y en

equilibrio electrónico a temperatura constante.

Unión PN polarizada en forma directa

Si se polariza la unión PN en sentido directo, es decir, el polo positivo de la pila a la región P y el polo negativo a la región N , la tensión V de la pila contrarresta la «barrera de potencial» creada por la distribución espacial de cargas en la unión, desbloqueándola, y apareciendo una circulación

de electrones de la región N a la región P y una circulación de huecos en sentido contrarío.

Tenemos así una corriente eléctrica de valor elevado, puesto que la unión PN se hace conductora, presentando una resistencia eléctrica muy pequeña.

El flujo de electrones se mantiene gracias a la pila que los traslada por el circuito exterior circulando con el sentido eléctrico real, que es contrario

al convencional establecido para la corriente eléctrica.

Unión PN polarizada en forma inversa

Si se polariza la unión PN en sentido inverso, es decir, el polo positivo de la pila a la región N y el polo negativo a la región P, la tensión V de la pila ensancha la «barrera de potencial» creada por la distribución espacial de cargas en la unión, produciendo un aumento de iones negativos en la región P y de iones positivos en la región N, impidiendo la circulación de electrones

y huecos a través de la unión.

La unión PN se comporta de una forma asimétrica respecto de la conducción

eléctrica; dependiendo del sentido de la conexión, se comporta corno un buen conductor (polarizada en directo) o como un aislante (polarizada en inverso).

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