DIODO SEMICONDUCTOR

UNIDAD I DIODO SEMICONDUCTOR

1.1.  Dopamiento de semiconductores Materiales aislantes Se denomina al material con escasa conductividad eléctrica, no existen cuerpos absolutamente aislantes o conductores, sino mejores o peores conductores, son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos, forrando con ellos los conductores eléctricos, para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que, de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión, pueden producir una descarga, para confeccionar aisladores los materiales utilizados más frecuentemente son los plásticos y las cerámicas.                                                       Materiales conductores Son aquellos materiales que ofrece poca resistencia al flujo de electrones o electricidad dejando pasar fácilmente la corriente eléctrica, de manera semejante como las tuberías conducen agua a través de un circuito hidráulico. Para que un cuerpo sea conductor necesita tener átomos con muchos electrones libres, que se puedan mover con facilidad de un átomo a otro.   La diferencia entre un conductor y un aislante, que es un mal conductor de electricidad o de calor, es de grado más que de tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en mayor o en menor medida. Un buen conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil millones de veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la mica. El fenómeno conocido como superconductividad se produce cuando al enfriar ciertas sustancias a una temperatura cercana al cero absoluto su conductividad se vuelve prácticamente infinita. En los conductores sólidos la corriente eléctrica es transportada por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones. Materiales semiconductores Es un material que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido. Tiene 4 electrones en su órbita de valencia. El semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V de la tabla periódica.    Conceptos básicos Ø  Orbital de valencia: es la última orbita del átomo, allí se encuentran definidas las características eléctricas del elemento Ø  Electrón libre: es el electrón ubicado en la órbita de valencia y que tiene muy poca fuerza de atracción con el núcleo por lo que es muy fácil de arrancarse por una fuerza externa Ø  Hueco: es el espacio que deja un electrón en un átomo cuando es arrancado por una fuerza externa Ø  Ión positivo: es un átomo que ha perdido uno o mas electrones Ø  Ión negativo: es un átomo que ha ganado uno o mas electrones Ø  Recombinación: es el proceso en el cual un electrón libre llena un hueco Ø  Tiempo de vida de un electrón libre: es el tiempo que transcurre entre la creación de un electrón libre y su desaparición al ocupar un hueco Ø  Flujo de electrones: al colocar un cristal de Si entre 2 placas metálicas cargadas eléctricamente un electrón de la órbita de valencia es repelido por el potencial negativo y llena un hueco que encuentra más próximo a la placa positiva, este desplazamiento genera un hueco en el átomo que a su vez es ocupado por otro electrón que fue repelido también por la placa con potencial negativo, generando un flujo de electrones de la placa con potencial negativo y hacia la placa con potencial positivo. La circulación de corriente en ésta dirección se le conoce como corriente electrónica. Ø  La dirección convencional de corriente viaja de positivo a negativo, en sentido contrario a la corriente electrónica; para efectos del curso siempre tomaremos ésta dirección de corriente Semiconductores intrínsecos  Los materiales intrínsecos, son aquellos semiconductores que se han refinado cuidadosamente con el objetivo de reducir las impurezas hasta un nivel muy bajo, tan puros como sea posible mediante la utilización de la tecnología moderna En un material, los electrones libres generados exclusivamente por causas naturales se denominan portadores intrínsecos. A esta misma temperatura, el material intrínseco de germanio contiene aproximadamente 2.5 X 1013 portadores libres por centímetro cúbico. La proporción de portadores libres en el germanio comparada con la del silicio es mayor que 103, lo que podría indicar que el germanio es mejor conductor a temperatura ambiente. Esto puede ser cierto, sin embargo ambos materiales se consideran conductores deficientes en estado intrínseco. Dopamiento de semiconductores Dopamiento de un material tipo P: Se parte de un semiconductor intrínseco, que es un semiconductor químicamente puro y puede ser de Silicio (Si) o de Germanio (Ge) que tienen 4 electrones libres en su órbita de valencia, éste material se dopa, es decir se le agregan impurezas deliberadamente con el fin de modificar su conductividad eléctrica, convirtiéndolo en un material extrínseco; para generar un semiconductor tipo P, es decir con exceso de huecos, se dopa con impurezas trivalentes (aceptores), como pueden ser el Aluminio (Al), Galio (Ga) o Boro (B); en este dopamiento los portadores mayoritarios son los huecos, ya que superan a los electrones los cuales son los portadores minoritarios. Dopamiento de un material tipo N: Se parte de un semiconductor intrínseco, que es un semiconductor químicamente puro y puede ser de Silicio o de Germanio que tienen 4 electrones libres en su órbita de valencia, éste material se dopa, es decir se le agregan impurezas deliberadamente con el fin de modificar su conductividad eléctrica, convirtiéndolo en un material extrínseco; para generar un semiconductor tipo N, es decir con exceso de electrones, se dopa con impurezas pentavalentes (donadores), como pueden ser el Arsénico (AS), Antimonio (Sb), Fósforo (P); en este dopamiento los portadores mayoritarios son los electrones, ya que superan a los huecos los cuales son los portadores minoritarios.

1.1.  Unión PN Se forma por la unión metalúrgica de dos cristales, generalmente de Silicio (Si), aunque también se fabrican de Germanio (Ge), de naturalezas P y N según su composición a nivel atómico. Los electrones libres que se encuentran en el material N, se recombinan con los huecos que están próximos del material P, solo hasta alcanzar un equilibrio cerca de la unión de los 2 cristales. Una vez alcanzado este equilibrio se dice que se ha creado una barrera de potencial. Una barrera de potencial es simplemente una oposición a que sigan pasando los electrones y huecos de un lado a otro. Esta situación permanecerá inalterable mientras no hagamos nada externo para modificarla, es decir, compensar el efecto de esa barrera de potencial con otro potencial aportado por nosotros, por ejemplo, conectándolo a una batería.

Polarización directa Cuando se juntan los semiconductores tipo P y tipo N, forman lo que se conoce como diodo semiconductor, justo en la frontera de los dos materiales se forma la unión PN y en esa unión se forma una área conocida como zona de Depleción, que es una barrera de potencial equivalente a 0.3V cuando es material es Ge y de 0.7V cuando se usa Si; Para polarizar en sentido directo esta unión se conecta el potencial positivo de la fuente en el material P y el potencial negativo en el material N, en ésta condición, si la tensión de la batería es menor a la barrera de potencial, los electrones no tienen la suficiente energía para atravesar la zona de Depleción y no se genera ningún flujo de corriente a través del diodo, cuando la fuente de alimentación es mayor a la barrera de potencial, los huecos y los electrones son empujados hacia la unión PN recombinándose con los electrones libres y los huecos libres generando un flujo de corriente a través del diodo.

Polarización inversa Para polarizar en sentido inverso ésta unión se conecta el potencial negativo de la fuente en el material P y el potencial positivo en el material N, en ésta condición los electrones, portadores mayoritarios, del material N son atraídos por el potencial positivo de la fuente y los huecos, portadores mayoritarios, del material P son atraídos por el potencial negativo de la fuente generando un ensanchamiento de la zona de Depleción, la cual depende de la magnitud del voltaje inverso aplicado, la zona de Depleción deja de aumentar en el momento en que su diferencia de potencial es igual a la tensión inversa aplicada. Cuando la tensión inversa aplicada al diodo es más grande al especificado, el diodo sufre un daño irreversible, se abre y deja de ser útil.

Diodo semiconductor

                 Símbolo                                                                                                 Curva característica                                                                          Circuito eléctrico equivalente

dOPAMIENTO DE semiconductores

union pn

Diodo semiconductor