TECNOLOGÍA DE EQUIPOS INFORMÁTICOS

Presentación del tema: "TECNOLOGÍA DE EQUIPOS INFORMÁTICOS"— Transcripción de la presentación:

1 TECNOLOGÍA DE EQUIPOS INFORMÁTICOS
Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores.

2 Contenido. Primera parte
Generalidades. Materiales semiconductores Estructura cristalina del del silicio Teoría de bandas Semiconductores intrínsecos Semiconductores extrínsecos La unión PN TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores [Página 2]

3 Contenido. Segunda parte
El diodo El diodo. Simbología y Linealización de la característica I-V. Modelos simplificados para continua. Circuitos prácticos con diodos. Diodos para aplicaciones especiales. Visualizadores de presentación de la Información. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores [Página 3]

4 Contenido. Tercera parte
El transistor bipolar El transistor bipolar. Estructura, Simbología y zonas de funcionamiento. Modelo eléctrico equivalente. Características voltiampéricas. El transistor en conmutación. Implementación de funciones lógicas elementales. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores [Página 4]

5 GENERALIDADES

6 TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores [Página 6]
La electrónica La palabra “electrónica” entró como vocablo del léxico tecnológico en 1930, para abarcar las aplicaciones industriales derivadas de los tubos de vacío. Los frutos de esta rama de la ingeniería son numerosos: el telégrafo, el teletipo, la radio, el radar, la televisión, la telefonía celular y los equipos informáticos, son algunos de los múltiples aparatos o dispositivos que se deben a ella Sin embargo, lo que disparó verdaderamente el desarrollo de la electrónica, fue el invento del transistor en 1947. Fue en ese año cuando los científicos de los Laboratorios Bell, John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley, descubrieron el efecto transistor La invención de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX dio lugar a la electrónica moderna. Con ellos se hizo posible la manipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos circuitos telegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de alta tensión para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vacío pudieron amplificarse las señales de radio y de sonido débiles. El desarrollo de una amplia variedad de tubos, diseñados para funciones especializadas, posibilitó el rápido avance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial, y el desarrollo de las primeras computadoras durante la guerra y poco después de ella. Hoy día, el transistor, inventado en 1947, ha reemplazado casi completamente al tubo de vacío en la mayoría de sus aplicaciones. El transistor permite las mismas funciones que el tubo de vacío, pero con un coste, peso y potencia más bajos y una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnología de semiconductores, atribuibles en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de 1970, del circuito integrado. Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en un pequeño trozo de material, permitiendo la construcción de circuitos electrónicos complejos, como los de los microordenadores o microcomputadoras, equipos de sonido y vídeo, y satélites de comunicaciones. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores [Página 6]

7 SEMICONDUCTORES La conductividad eléctrica es la capacidad de un determinado material de conducir la corriente eléctrica bajo la aplicación de un voltaje. Un semiconductor es un material cuya conductividad eléctrica está entre la de un conductor, como cobre, y un aislante como el caucho. Aunque la mayoría de los semiconductores comunes son sólidos, algunos semiconductores también se encuentran en estado líquido y estado amorfo. Los semiconductores habitualmente producidos por la industria son: el silicio, el germanio, el diamante (carbono), el telurio, el boro y el selenio.

8 El átomo de silicio y su estructura cristalina a temperatura ambiente
De los semiconductores existentes estudiaremos principalmente el Silicio, que es el semiconductor más extensamente usado. El silicio es el elemento número 14 de la tabla periódica. Esto significa que tiene 14 protones en su núcleo y 14 electrones en orbitales alrededor del núcleo. De los catorce electrones, diez de ellos están en orbitales interiores, mientras los 4 restantes en una órbita externa distante del núcleo llamada de valencia. Estos cuatro electrones de órbita de valencia tienen una importancia crítica. Un cierto número de átomos puros de silicio se unirán entre sí (véase la figura) para formar una red cristalina de tal forma que cada átomo se vinculará con cuatro de sus vecinos. Así dos átomos de silicio “comparten” dos electrones (uno de cada uno de ellos). El resultado es que, en vez de tener cuatro electrones de valencia, cada átomo de silicio, ahora tiene ocho. Es importante notar aquí que la mayor parte de electrones implicados en las “comparticiones” no están disponibles para la conducción. Sin embargo, un pequeño número de electrones es capaz de escapar dando lugar a pequeñas corrientes eléctricas, si se somete el material a un campo eléctrico. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores [Página 8]

9 TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores [Página 9]
Teoría de bandas Eg Banda de valencia Banda de conducción Aislante Semiconductor Eg Banda de valencia Banda de conducción Banda de valencia Conductor no hay Eg Banda de conducción Un modo útil de visualizar la diferencia entre conductores, aislantes y semiconductores lo proporciona la teoría de bandas (*) que permite trazar las energías disponibles para los electrones en los materiales. En vez de tener energías discretas como en el caso de átomos libres, en los sólidos, la energía disponible forma bandas de energía. Esto es determinante para saber si habrá conducción, es decir, si realmente hay electrones en la banda de conducción. En los aislantes, los electrones en la banda de valencia están separados por un hueco grande (banda prohibida o band gap) de la banda de conducción. En conductores como los metales la banda de valencia solapa la banda de conducción y en los semiconductores hay un pequeño hueco entre la banda de valencia y la de conducción que con excitaciones térmicas u otras puede ser salvado. En general, se puede decir que a 0ºK, tanto los aislantes como los semiconductores no conducen, ya que ningún electrón tiene energía suficiente para pasar de la banda de valencia a la de banda de conducción. En cambio, a 300ºK algunos electrones de los semiconductores alcanzan este nivel. Al aumentar la temperatura aumenta la conducción en los semiconductores. (*) En la física de estado sólido, la teoría de bandas de un sólido describe las gamas de la energía que un electrón “se prohíbe” o “se permite. La estructura de bandas de un material determina varias características, particularmente sus características electrónicas y ópticas TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores [Página 9]

10 El semiconductor intrínseco
Un cristal de silicio, a diferencia de un aislante, para cualquier temperatura por encima de la temperatura absoluta cero, tiene probabilidades de que un electrón en la banda de valencia salte a la de conducción dejando un hueco. Si entonces se aplica un voltaje, tanto el electrón como el hueco puede contribuir a un pequeño flujo de corriente. El término “intrínseco” aquí se refiere a las propiedades de silicio puro "intrínseco“, frente las propiedades sustancialmente diferentes de semiconductores extrínsecos o dopados. La corriente en un semiconductor intrínseco La corriente que fluirá en un semiconductor intrínseco se compone en los flujos tanto de electrones como de huecos. Es decir, los electrones que han sido liberados de sus posiciones en la red cristalina, que se encuentran en la banda de conducción y que pueden moverse por el material; además otros electrones pueden saltar entre posiciones de la red cristalina para llenar los puestos vacantes dejados (huecos) por los electrones liberados. Llamaremos a este mecanismo adicional “conducción de huecos” porque es como si los huecos emigrasen a través del material en la dirección contraria al movimiento de electrones. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores [Página 10]

11 El semiconductor extrínseco
Un semiconductor extrínseco se forma a partir de un semiconductor intrínseco en el que se insertan átomos de impureza adicionales al cristal en un proceso conocido como doping. Para tomar el ejemplo más simple, consideremos el Silicio que tiene una estructura cristalina en la que cada átomo comparte un electrón con un átomo vecino (total: 4 electrones por átomo). Por otro lado el B, Al, In y Ga tienen tres electrones en la banda de valencia. Cuando una pequeña proporción de estos átomos, (menos de 1 en 106), es incorporada en el cristal, el átomo dopante tiene un número insuficiente de “enlaces” para compartir con los átomos circundantes de silicio. Resultado: uno de los átomos de silicio tendrá una vacante para un electrón. Esto crea un hueco que contribuye al proceso de conducción en todas las temperaturas. Las impurezas que crean huecos de esta manera se llaman impurezas aceptadoras. El semiconductor resultante de este tipo de impurificación recibe el nombre de semiconductor extrínseco tipo p. Desde el punto de vista de la teoría de bandas de energía, el B genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda de valencia. La energía necesaria para que un electrón alcance este estado permitido se consigue a la temperatura ambiente, generando un hueco en la B.V. Los elementos que pertenecen al grupo la V de la tabla periódica como As, P y Sb, tienen un electrón suplementario en la banda de valencia. Cuando los usamos como dopantes del Silicio intrínseco, el átomo dopante contribuye con un electrón adicional al cristal y por ello recibe el nombre de impureza donante y al material resultante se le denomina semiconductor extrínseco tipo n. Considerando la teoría de bandas de energía, un donante como el P genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda de conducción. La energía necesaria para alcanzar la banda de conducción se consigue a la temperatura ambiente. TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores [Página 11]

12 TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores [Página 12]
La unión PN 1) 2) 3) 4) Una de las claves cruciales en la electrónica del estado sólido es la naturaleza de la unión P-N. Cuando materiales de tipo p y materiales de tipo n son colocados en contacto, la unión se comporta de manera muy diferente a cuando estos materiales están solos. En la transparencia se aprecian distintas situaciones de la unión PN. Los materiales P y N antes de formar la unión. Muestra los iones dopantes y los portadores libres que han originado (electrones y huecos) La unión instantes después de formarse. Difusión de huecos de la zona p hacia la zona n y de electrones de la zona n hacia la zona p La unión en equilibrio. El resultado de la difusión anterior es la formación, en un área cercana a la unión, de iones negativos en el lado P, y de iones positivos en el lado N. Esta área recibe el nombre de “zona de carga espacial”. La zona de carga espacial crea un campo eléctrico (barrera de potencial) que impide la difusión de mas portadores (electrones y huecos) TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores [Página 12]

13 La unión PN: polarización directa e inversa
Si aplicamos a la unión PN una tensión exterior de signo contrario a la barrera de potencial interna, ésta disminuirá y también la anchura de la zona de carga espacial. En este momento los electrones (portadores mayoritarios) de la zona N están en disposición de pasar a la zona P. Exactamente igual están los huecos de la zona P que pueden "pasar" a la zona N. Polarización inversa Si la tensión aplicada externamente al diodo es del mismo signo que la barrera de potencial interna se dice que la unión PN está polarizada inversamente. El conector positivo de la pila atrae a los electrones del material N apartándolos de la unión, mientras que el negativo a trae a las cargas positivas del material P, apartándolos también de la unión. Se crea, por tanto, en la unión, una ausencia de carga, formándose una corriente que recibe el nombre de "corriente inversa de saturación" o "corriente de fuga". Su valor es prácticamente despreciable, pues es del orden de nA (nanoampaerios). TEI. Tema 1. Dispositivos bipolares (I). Semiconductores [Página 13]