TEMA 1: SEMICONDUCTORES Mª Dolores Borrás Talavera

Metales, aislantes y semiconductores: Introducción Metales, aislantes y semiconductores: Conducción eléctrica Bandas de energía Conducción intrínseca y extrínseca: Par electrón-hueco Contaminación de un semiconductor La unión P-N Estudio cualitativo del transistor de unión BJT

Átomo: estructura INTRODUCCIÓN r 3er nivel de energía r3 Borde del núcleo 1er nivel de energía 2o nivel de energía 3er nivel de energía r1 r3 r2 N e- r r= radio orbital

Niveles de energía de los átomos Bandas de energía del cristal METALES, AISLANTES Y SEMICONDUCTORES Bandas de energía Átomos de silicio Borde del núcleo 1er nivel de energía 2o nivel de energía 3er nivel de energía r1 r3 r2 N e- N e- N e- Niveles de energía de los átomos Banda de conducción Si Banda de valencia Bandas de energía del cristal Cristal de silicio

Aislante Conductor Semiconductor Banda de conducción vacía Banda de conducción vacía Banda de conducción 6 eV Banda prohibida Banda prohibida 1 eV Banda de valencia llena Banda de valencia llena Banda de valencia Aislante Conductor Semiconductor

Conducción intrínseca CONDUCCIÓN INTRÍNSECA Y EXTRÍNSECA Conducción intrínseca Si C, Si, Ge Grupo IV de la tabla periódica 1s2 2s2 2p2 3s2 3p2 3d10 4s2 4p2 Faltan 4 electrones en la última capa Si 0ºK Si

Conducción intrínseca CONDUCCIÓN INTRÍNSECA Y EXTRÍNSECA Conducción intrínseca Si Si 0ºK 300ºK + Si Electrón Hueco

Acción del campo eléctrico + - Si Si + + Si Si Si Si

Acción del campo eléctrico más portadores de carga Conclusiones: La corriente en un semiconductor es debida a dos tipos de portadores de carga: HUECOS y ELECTRONES La temperatura afecta fuertemente a las propiedades eléctricas de los semiconductores: mayor temperatura más portadores de carga menor resistencia

Conducción extrínseca Fabricación de cristal tipo N Si Si Impurezas del grupo V de la tabla periódica (Sb): 1s22s22p63s23p64s2 3d104p65s24d105p3 Faltan 3 electrones en la última capa Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Sb Si Si Sb Si + + Si A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados

Conducción extrínseca Fabricación de cristal tipo N Impurezas grupo V Sb + Huecos libres Carga móvil 300ºK Electrones libresCarga móvil Átomos de impurezas IonizadosCarga estática Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son electrones libres. Actúan como portadores de carga negativa Los portadores minoritarios de carga en un semiconductor tipo N son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.

Conducción extrínseca Fabricación de cristal tipo P Si Al: aluminio Impurezas del grupo III de la tabla periódica: 1s22s22p63s23p1 Faltan 5 electrones en la última capa Si Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Al Si Si Al Si + - + Si A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados

Conducción extrínseca Fabricación de cristal tipo P Impurezas grupo III - Al Electrones libres Carga móvil 300ºK Huecos libresCarga móvil Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva. Los portadores minoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Electrones. Actúan como portadores de carga negativa.

La conducción intrínseca es dependiente de la temperatura La conducción extrínseca depende del grado de dopado o densidad de donadores / aceptadores

Exceso de electrones y de huecos en un semiconductor N y en uno P UNIÓN P-N Exceso de electrones y de huecos en un semiconductor N y en uno P - + Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

- UNIÓN P-N Zona de transición Semiconductor tipo P + Semiconductor tipo N Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada ‘zona de transición’. Que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.

Unión P-N polarizada inversamente + + + + - - - + + + - + - + + - + - - - + - + - + + + - - + La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente por parte de los mayoritarios.

Unión P-N polarizada inversamente + - + - P N - - - + + + + - - + + - + - + - + + - + - - - + - + - + + + - - + La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa hay circulación de corriente por parte de los minoritarios Corriente inversa muy baja (mA-pA)

Unión P-N polarizada directamente + + + + - + + - - + - + - + + - + - - - + - + + - + + - - + La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa

Unión P-N polarizada directamente + - P N - - + + - + + - - - + + + - + - + + - + - - - + - + - + + + - - + Concentración de huecos Concentración de electrones La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unión.

Un transistor bipolar está formado por dos uniones PN. ESTUDIO CUALITATIVO DEL TRANSISTOR DE UNIÓN BJT Un transistor bipolar está formado por dos uniones PN. PNP NPN E C E C P N N P B B E C B B C E

+ - Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP P N N P + - P N N P Concentración de huecos

Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP Si la zona central es muy ancha el comportamiento es el dos diodos en serie: el funcionamiento de la primera unión no afecta al de la segunda

Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP

Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP

Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP

Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP Base Emisor Colector Transistor PNP El terminal de base actúa como terminal de control manejando una fracción de la corriente mucho menor a la de emisor y el colector. El emisor tiene una concentración de impurezas muy superior a la del colector: emisor y colector no son intercambiables

Principio de funcionamiento del transistor bipolar NPN

Principio de funcionamiento del transistor bipolar NPN Base Emisor Colector Transistor NPN La mayor movilidad que presentan los electrones hace que las características del transistor NPN sean mejores que las de un PNP de forma y tamaño equivalente. Los NPN se emplean en mayor número de aplicaciones..

Conclusiones Un transistor bipolar está formado por dos uniones PN. Para que sea un transistor y no dos diodos deben de cumplirse dos condiciones: La zona de Base debe ser muy estrecha. El emisor debe de estar muy dopado. Normalmente, el colector está muy poco dopado y es mucho mayor. N+ P N- C E B