DIODO SEMICONDUCTOR

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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