SEMICONDUCTORES

SEMICONDUCTORES Son elementos, como el germanio y el silicio, que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medida que se eleva la temperatura o bien por la adicción de determinadas impurezas resulta posible su conducción. Su importancia en electrónica es inmensa en la fabricación de Diodos, Transistores, Circuitos Integrados, etc... Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en órbita exterior ó de valencia. Los semiconductores tienen 4 electrones de valencia. Ing. Juan Jose Nina Ch.

SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS” Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente forma: Intrínsecos Extrínsecos Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción. Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica. Una vez dopados, el silicio o el germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corriente eléctrica. Ing. Juan Jose Nina Ch.

CONVERSIÓN DEL SILICIO EN SEMICONDUCTOR "TIPO-N" O EN "TIPO-P" Tanto los cristales de silicio (Si) como los de germanio (Ge) en estado puro se pueden convertir en dispositivos semiconductores, capaces de conducir la corriente eléctrica si para ello alteramos su estructura molecular cristalina introduciendo ciertas cantidades de "impurezas". Para realizar ese cambio será necesario introducir átomos de otros elementos semiconductores apropiados que posean tres electrones en su última órbita (átomos trivalentes) o también cinco electrones en esa propia órbita (átomos pentavalentes). Se consideran impurezas a los siguientes elementos con átomos trivalentes: aluminio (Al), galio (Ga) e indio (In). También se consideran impurezas los átomos pentavalentes de arsénico (As), fósforo (P) o de antimonio (Sb). Cuando añadimos a la estructura cristalina del silicio o del germanio una pequeña cantidad de átomos de un elemento pentavalente en función de “impurezas”, estos átomos adicionales reciben el nombre de "donantes", porque cada uno dona o cede uno de sus cinco electrones a la estructura cristalina del semiconductor. Si, por el contrario, los átomos que se añaden como impurezas son trivalentes, se denominan entonces "aceptantes”, porque cada uno tendrá que captar o aceptar un electrón procedente de la propia estructura cristalina del silicio o del germanio. La conductividad que presente finalmente un semiconductor “dopado” dependerá de la cantidad de impurezas que contenga en su estructura cristalina. Generalmente para una proporción de un átomo de impureza que se añade por cada 100 millones de átomos del elemento semiconductor, la conductividad aumenta en 16 veces.

SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-P” Si en lugar de introducir átomos pentavalentes al cristal de silicio o de germanio lo dopamos añadiéndoles átomos o impurezas trivalentes como de galio (Ga), al unirse esa impureza en enlace covalente con los átomos de silicio quedará un hueco o agujero, debido a que faltará un electrón en cada uno de sus átomos para completar los ocho en su última órbita. En este caso, el átomo de galio tendrá que captar los electrones faltantes, que normalmente los aportarán los átomos de silicio, como una forma de compensar las cargas eléctricas. De esa forma el material adquiere propiedades conductoras y se convierte en un semiconductor extrínseco dopado tipo-P (positivo), o aceptante, debido al exceso de cargas positivas que provoca la falta de electrones en los huecos que quedan en su estructura cristalina. Ing. Juan Jose Nina Ch.

SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-N” Como ya conocemos, ni los átomos de silicio, ni los de germanio en su forma cristalina ceden ni aceptan electrones en su última órbita; por tanto, no permiten la circulación de la corriente eléctrica, por tanto, se comportan como materiales aislantes. Pero si la estructura cristalina de uno de esos elementos semiconductores la dopamos añadiéndole una pequeña cantidad de impurezas provenientes de átomos de un metaloide como, por ejemplo, antimonio (Sb) , con cinco electrones en su última órbita o banda de valencia), estos átomos se integrarán a la estructura del silicio y compartirán cuatro de sus cinco electrones con otros cuatro pertenecientes a los átomos de silicio o de germanio, mientras que el quinto electrón restante del antimonio, al quedar liberado, se podrá mover libremente dentro de toda la estructura cristalina. De esa forma se crea un semiconductor extrínseco tipo-N, o negativo, debido al exceso de electrones libres existentes dentro de la estructura cristalina del material semiconductor Ing. Juan Jose Nina Ch.

SEMICONDUCTOR DIODO Los diodos son unos componentes muy importantes en la electrónica automotriz y forman parte de un grupo numeroso de componentes llamado los “semiconductores” ó “componentes de estado sólido”. A esta familia pertenecen también los transistores y los circuitos integrados. Un diodo funciona como una puerta electrónica de una sola vía. Este deja pasar la corriente en una sola dirección. De esta forma nos permite convertir corriente alterna (CA), en corriente continua (CC). Ing. Juan Jose Nina Ch.

DIODO Un Diodo es la unión de un material tipo N con un material tipo P. El lado N recibe el nombre de cátodo y el lado P el de ánodo. En lado N hay exceso de electrones y en el lado P una deficiencia de electrones, o sea, un exceso de huecos. Además de estos portadores mayoritarios de corriente, en los Lados N y P existen unos pocos portadores minoritarios, representados por algunos Huecos en N y algunos electrones libres en P. Los electrones del lado N tienden a pasar hacia el lado P, atraídos por los huecos o viceversa. Sin embargo, no pueden hacerlo porque en la unión o juntura de los dos materiales se forma una barrera eléctrica de voltaje que impide el paso de los portadores mayoritarios de corriente. A esta barrera de potencial la llamaremos unión o juntura PN. P N Ing. Juan Jose Nina Ch.

POLARIZACIÓN DIRECTA DEL DIODO En polarización directa, el positivo de la fuente se conecta al ánodo (P) y el negativo al cátodo (N) En un diodo polarizado directamente, los electrones libres del material N son rechazados por el terminal negativo de la batería y emigran en dirección de la juntura. Lo mismo sucede con los huecos del material P respecto al terminal positivo de la batería. Como consecuencia de lo anterior, en la juntura PN se presenta una fuerte concentración de portadores de corriente. Bajo la influencia del voltaje de la batería, los electrones y huecos atraviesan la barrera y se combinan mutuamente. Por cada combinación de un electrón y un hueco, penetra un electrón por el terminal negativo y sale otro por el terminal positivo. De este modo, fluye continuamente corriente eléctrica a través del circuito externo. Entonces un diodo polarizado directamente actúa como un conductor. P N

POLARIZACIÓN INVERSA DE UN DIODO En este caso el terminal positivo de la batería se conecta al cátodo (N) y el negativo al ánodo (P). En un Diodo polarizado inversamente, los electrones libres del material N son atraídos por el terminal positivo, alejándolos de la juntura. Lo mismo sucede con los huecos de P respecto al terminal negativo. Como consecuencia de los anterior, en la juntura PN se presenta una drástica ausencia de portadores de corriente. Bajo la influencia del voltaje de la batería, los electrones y huecos no pueden atravesar la barrera y, por lo tanto, no hay circulación de corriente a través del diodo. Entonces decimos que un diodo polarizado inversamente actúa como un aislante, porque ofrece muy alta resistencia al paso de la corriente. P N