Clase 1.1

Clase 1.1

1. MATERIALES SEMICONDUCTORES: Ge, Si Y GaAS

   • La construcción de cualquier dispositivo electrónico discreto (individual) de estado sólido (estructura de cristal duro) o circuito integrado, se inicia con un material semiconductor de la más alta calidad.
   • Los semiconductores son una clase especial de elementos cuya conductividad se encuentra entre la de un buen conductor y la de un aislante.
   • En las primeras décadas después del descubrimiento del diodo en 1939 y el transistor en 1949, se utilizaba germanio casi exclusivamente porque era en cierto modo fácil de encontrar y estaba disponible en grandes cantidades.
     • El diodo es un dispositivo de 2 terminales.
     • Un diodo ideal conduce en una sola dirección.
     • Características del diodo
       • Región Conducción
         • El voltaje a través del diodo es 0 V
         • La corriente es infinita
         • La resistencia directa se define como \ Delta RF = VF / IF
         • El diodo actúa como un cortocircuito
       • Región No Conducción
         • Toda la tensión está a través del diodo
         • La corriente es 0 A
         • La resistencia inversa se define como RR = VR / IR
         • El diodo actúa como abierto
   • En general, los materiales semiconductores caen dentro de una de dos clases: de un solo cristal y compuesto
   • Los tres semiconductores más frecuentemente utilizados en la construcción de dispositivos electrónicos son Ge, Si y GaAs
   • Sin embargo, conforme pasaba el tiempo, el campo de la electrónica se volvió cada vez más sensible a las cuestiones de velocidad.
   • Este breve repaso de la historia de los materiales semiconductores no pretende implicar que el GaAs pronto será el único material apropiado en la construcción de estado sólido.
   • Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman una celosía.

2. ENLACE COVALENTE Y MATERIALES INTRÍNSECOS

   • Para apreciar plenamente por qué Si, Ge y GaAs son los semiconductores mas utilizados por la industria electrónica, hay que entender la estructura atómica de cada uno y cómo están enlazados los átomos entre sí para formar una estructura cristalina.
   • En el germanio y el silicio hay cuatro electrones en la capa más externa, los cuales se conocen como electrones de valencia.
   • En un cristal de silicio o germanio puros, los cuatro electrones de valencia de un átomo forman un arreglo de enlace con cuatro átomos adyacentes
   • Este enlace de átomos, reforzado por compartir electrones, se llama enlace covalente.
   • Como el GaAs es un semiconductor compuesto, hay compartición entre los dos átomos diferentes
   • Aunque el enlace covalente produce un enlace más fuerte entre los electrones de valencia y su átomo padre, aún es posible que los electrones de valencia absorban suficiente energía ciné- tica proveniente de causas externas para romper el enlace covalente y asumir el estado “libre”.
   • El término intrínseco se aplica a cualquier material semiconductor que haya sido cuidado- NIVELES DE ENERGÍA 5 samente refinado para reducir el número de impurezas a un nivel muy bajo; en esencia, lo más puro posible que se pueda fabricar utilizando tecnología actual.
   • Los electrones libres presentes en un material debido a sólo causas externas se conocen como portadores intrínsecos.
   • Uno de los avances tecnológicos de las últimas décadas ha sido la capacidad de producir materiales semiconductores de muy alta pureza
   • Una importante e interesante diferencia entre semiconductores y conductores es su reacción ante la aplicación de calor
   • Los materiales semiconductores tienen un coeficiente de temperatura negativo

3. NIVELES DE ENERGÍA

   • Dentro de la estructura atómica de cada átomo aislado hay niveles específicos de energía asociados con cada capa y electrón en órbita
   • Cuanto más alejado está un electrón del núcleo, mayor es su estado de energía y cualquier electrón que haya abandonado a su átomo padre tiene un estado de energía mayor que todo electrón que permanezca en la estructura atómica.
   • Observe en la figura 1.6a que sólo puede haber niveles de energía específicos para los electrones que permanecen en la estructura atómica de un átomo aislado.
   • Un electrón en la banda de valencia de silicio debe absorber más energía que uno en la banda de valencia de germanio para convertirse en portador libre. Asimismo, un electrón en la banda de valencia de arseniuro de galio debe absorber más energía que uno en la de silicio o germanio para entrar a la banda de conducción.
   • Esta diferencia en los requerimientos de las brechas de energía revela la sensibilidad de cada tipo de semiconductor a los cambios de temperatura.
   • La brecha de energía también revela qué elementos son útiles en la construcción de dispositivos emisores de luz como diodos emisores de luz (LED, por sus siglas en inglés), los cuales se presentarán en breve

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