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Introducción a la
Electrónica
Dispositivos semiconductores
2da Clase
Introducción a la Electrónica
Semiconductores: Silicio
z
Estr ct ra cristalina
Estructura
•
•
La distribución espacial de los átomos dentro de un
material determina sus propiedades
propiedades.
El silicio puede existir en tres formas diferentes
• Amorfo
A
f -> grafito
fit
• Policristalino
• Cristalino ->> diamante
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Semiconductores: Silicio
z
Estr ct ra cristalina
Estructura
Enlaces covalentes
Átomo de silicio
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Semiconductores: Silicio
z
Portadores
Cuando un enlace de
Si-Si es roto, el electrón
asociado es un portador
de corriente
corriente.
Equivalentemente, la
excitación de un
electrón de la banda de
valencia a la banda de
conducción crea
portadores ->
Electrones en la
banda de conducción
son portadores
Sin portadores
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Este estado vacío,
es un segundo tipo
de portadores
denominado
lagunas
electrón
laguna
g
Remover un
l tó d
de lla b
banda
d
electrón
de valencia crea un
estado vacío.
Electrones y lagunas son portadores
en los semiconductores
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Semiconductores: Silicio
Generación de pares electrones
electrones-lagunas
lag nas
Concentración de
electrones
intrínseco
Concentración de
lagunas
Corriente en un semiconductor
A elevar la temperatura algunos enlaces
covalentes son rotos, y los electrones
asociados al enlace son libres de desplazarse
bajo la influencia de un campo eléctrico
Movilidad de
Movilidad de
externo.
los electrones
las lagunas
Simultáneamente, la ruptura del enlace,
Simultáneamente
enlace deja
una carga positiva neta en la estructura de
valencia -> lagunas
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Semiconductores: Silicio
z
Circ lación de corriente en un
Circulación
n semicond
semiconductor
ctor
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Silicio con dopaje
z
El agregado de un pequeño porcentaje de átomos
foráneos en la estructura cristalina del silicio
produce importantes cambios en sus propiedades
eléctricas.
•
•
•
•
Material tipo
p N: Dopantes
p
con valencia +5 son
utilizados.
4 electrones de la banda de valencia forman enlaces
covalentes
l t con los
l át
átomos vecinos
i
d
de silicio.
ili i El
electrón restante esta débilmente ligado al átomo de
impureza, actuando como un electrón libre.
Impurezas donoras: donan un electrón a la banda de
conducción.
Fósforo, arsénico, antimonio
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Silicio – Tipo N
C d ti id d
Conductividad
Concentración de átomos donores
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Silicio – Tipo P
z
TIPO P
•
•
•
Dopantes con valencia +3 son empleados: Boro,
Galio Indio
Galio,
Indio.
Para completar el enlace covalente con átomos de
silicio un electrón es atraído de la banda de valencia
silicio,
dejando una laguna.
impureza aceptora: acepta un electrón de la banda de
valencia
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Semiconductores
z
Terminología
• Semiconductor intrínseco:
•
•
•
•
•
semiconductor sin el agregado
g g
de impurezas
p
Donor:
•
Átomos de impurezas que incrementan la concentración de
electrones
Aceptor
•
Átomos de impurezas
p
q
que incrementan la concentración de
lagunas
Portadores mayoritarios:
•
Los portadores mas abundantes en un semiconductor
semiconductor.
Electrones en material tipo N y lagunas en material tipo P.
Portadores minoritarios:
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•
Los portadores menos abundantes en un semiconductor.
Electrones en material tipo P y lagunas en material tipo N
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Juntura P-N
PN
La concentración de
átomos donores es
mayor que la de
aceptores
aislados
A temperatura ambiente,
•Cada electrón de los
átomos donores tiene
g p
para
suficiente energía
escapar de su átomo y
puede desplazarse
libremente.
libremente
•Los átomos aceptores
q
un electrón
han adquirido
de la banda de valencia,
dejando lagunas que
circulan libremente
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Juntura P-N
P N en equilibrio
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Juntura P-N
P N en equilibrio
Un diodo de juntura consiste de un material
Semiconductor tipo P en contacto con un
material N.
•Consideraciones
•Region P – N_A atomos aceptores
Region N – N_D
N D atomos donores
•Region
N_D>N_A
•No existe potencial externo aplicado
Región N: Los electrones cercanos a la juntura
se difunden desde la región con alta
concentración de electrones (región N) a la
región con baja concentración de electrones
(region P).
Electrones
Lagunas
Región P: Las lagunas se difunden hacia la
región N.
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Juntura P-N
P N en equilibrio
Los electrones que se difunden a la región P
dejan átomos ionizados + en el lado N.
Las lagunas dejan átomos ionizados – en la
región P.
Región
R
ió d
de d
depleción
l ió : capa d
de iiones
sin neutralizar
Densidad
de carga
Campo eléctrico
El campo eléctrico desplaza los
electrones fuera de la región de depleción
potencial
p
Corriente de desplazamiento
EQUILIBRIO : otros electrones de la región
Corriente de
difusión
N
P
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Corriente de
desplazamiento
=
N
P
N no pueden migrar hacia la región P porque
son repelidos por los iones negativos de
la región P y atraídos por los iones negativos
de la región N
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Juntura PN en equilibrio
Campo eléctrico
Una barrera de potencial es generada
para mantener el equilibrio
potencial
Potencial de contacto
Concentración de
portadores
Representa la barrera de potencial
que debe ser sobrepasada para que
un portador de carga se difunda a
través de la juntura
Niveles de energía
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Juntura PN – polarización directa
Al ser polarizada
l i d di
directamente
t
t lla
juntura PN, el potencial de juntura
disminuye.
Los electrones se difunden
h i lla región
hacia
ió P y llas
lagunas hacia la región N
Corriente de difusión
C i t d
Corriente
de d
desplazamiento
l
i t
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La corriente de difusión es
la dominante
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Juntura PN – polarización inversa
La barrera de potencial aumenta.
El campo electrico se intensifica
intensifica.
La capa de depleción se ensancha.
La corriente de difusión se hace cercana
a cero
Corriente de difusión
Corriente de desplazamiento
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Juntura PN
EQUILIBRIO
Polarización directa
Polarización inversa
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