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Electrónica y
Semiconductores
ITESM Campus Monterrey, Departamento de Ing. Eléctrica
José Gómez Quiñones
Importancia
•
•
•
•
Materia de vanguardia
Constantes cambios y avances
Miniaturización
La electrónica es la responsable del
avance tecnológico humano de los últimos
tiempos
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Historia
• Antes bulbos de vacío (1920)
• 1930, Transmisiones de radio
• Descubrimiento (Invención) del transistor por
John Bardeen, Walter Brattain, Williams
Shockley en 1948
• 1950, Televisor
• Ganadores del Nobel (Bardeen, Brattain y
Shockley) en 1956
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Historia
• 1960, 70% de las aplicaciones
implementadas en bulbos de vacío habían
sido reemplazadas por transistores
• El transistor permitió que los diseños
fueran más pequeños, de menor consumo
de potencia, robustos.
• 1961 Tiristor GTO
• 1964 Triac
• 1970, Transistor BJT, 500V, 20A
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Historia
• 1971, Intel libera el procesador 4004 con
2300 transistores , 10u, 108kHz
• Surge el procesador Z80 (Zilog) como uno
de sus más cercanos competidores
• Se consolida la electrónica como factor de
avance tecnológico 1976 BJT, 400v, 400A
• Mosfet de Potencia
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Historia
• 1982, Aparece la familia x86 de Intel,
80286 con 134,000 transistores, 6 MHz,
tecnología 1.5u
• 1985 IGT (Transistor de Compuerta
Aislada)
• 1987 MCT (Tiristor Controlado por MOS)
• 1990 Telefonía Celular
• 1993, Pentium, 3,100,000 transistores,
0.8u, 60MHz
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Historia
• 1999, Primeros “Micromachines” (MSM),
dispositivos híbridos capaces de integrar
mecanismos, óptica y electrónica.
• 2001, Pentium IV, 2.0 GHz, >30x10^6
transistores, 0.15u
• Televisores de Pantalla plana
• Pantallas de Plasma
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Tendencias
• Dispositivos óptico-electrónicos
• Mayor integración
• Dispositivos de mayor potencia y mayor
ancho de banda
• Mayor Amplificación
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Historia
•
•
•
•
Generación de Energía Limpia
Vehículos Eléctricos
Robots Domésticos
Superconductores
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Simuladores Computacionales
• PSpice Desarrollado en Stanford
• El uso de simuladores permite observar el
comportamiento de los circuitos con variaciones teóricas
en sus parámetros
• Son necesarios porque permiten confirmar la exactitud
de los cálculos sin necesidad de tener circuitos de
prueba
• Útiles en circunstancias peligrosas, análisis del peor
caso, análisis térmico.
• Un simulador permite observar características en
períodos de tiempo pequeños (análisis transitorio)
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Desventajas
• Exactitud del modelo
• En un simulador no se queman los
circuitos
• Capacidad o incapacidad de interpretación
de resultados por parte del que lleva a
cabo la simulación
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Materiales Conductores
• Cualquier material que soporte un flujo de carga, cuando
una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a
través de sus terminales.
• Los conductores fácilmente conducen la corriente
eléctrica.
• Los mejores conductores son materiales de un solo
elemento tales como, cobre, plata , oro, y aluminio.
• Se caracterizan por tener átomos con solo un electrón
de valencia pobremente unido. Estos electrones
fácilmente pierden esta unión y se vuelven electrones
libres
• Un material conductor tiene muchos electrones libres,
que cuando se mueven en una sola dirección hacen la
corriente eléctrica
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Materiales Aislantes
• Un material que ofrece un nivel muy bajo
de conductividad bajo la presión de una
fuente de voltaje aplicada.
• Los mejores materiales aislantes se
fabrican de materiales compuestos.
• En los aislantes, los electrones de
valencia están fuertemente unidos a los
átomos; existen muy pocos electrones
libres en un material aislante
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Materiales Semiconductores
• Un material que posee un nivel de conductividad sobre
algún punto entre los extremos de un aislante y un
conductor, es decir permite el flujo de carga bajo ciertas
condiciones de operación, y se comporta como un
aislante si no se aplica la cantidad de corriente o voltaje
necesaria para conducir
• Los materiales semiconductores de un solo elemento
más comunes son: silicio, germanio y carbón.
• Uno de los materiales semiconductores compuestos
más comunes es el arseniuro de galio
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Valores típicos de resistividad
• Conductor
10-6 Ω-cm (Cobre)
• Semiconductor 50 Ω-cm (Germanio)
1012 Ω-cm (Mica)
• Aislante
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Modelo de Bhor
Estructura Atómica del Silicio
Electrones de Valencia
Orbitas
Núcleo
+
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Niveles o Bandas de Energía
• En la estructura atómica existen niveles
de energía discretos asociados con cada
electrón en una órbita, cada material
tendrá su propio conjunto de niveles de
energía permisibles para los electrones en
su estructura atómica.
• Entre mas lejos se encuentre un electrón
del núcleo atómico mayor será la cantidad
de energía que posea
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Unión Covalente
Átomo
de Si
-
Si
-
-
-
-
-
Si
-
-
-
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Si
-
-
-
Cuando elementos
extremadamente
puros, como el silicio o
Electrones
el germanio, se enfrían
Compartidos
después de haber
estado en forma
líquida, sus átomos se
- Si - Si - acomodan en patrones
ordenados llamados
cristales. Los
Electrones
electrones de valencia
de Valencia
determinan la forma
exacta de la estructura
- Si - Si - del cristal resultante
Si
-
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-
Si
-
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Modelo del átomo de Silicio
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Molécula de Silicio
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Molécula de Silicio
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Modelo del átomo del Germanio
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Molécula del Germanio
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• Los átomos se unen en una estructura de manera que
cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia
formando enlaces covalentes (a la unión de átomos
reforzado por electrones compartidos se le llama enlace
covalente)
• Aunque los electrones de valencia están unidos
firmemente a la estructura, es posible que esos
electrones rompan sus enlaces y sean capaces de
moverse como electrones de conducción (también
llamados electrones libres), esto sucede si es aplicada
una cantidad suficiente de energía externa
• El término libre manifiesta que su movimiento será muy
sensible a la aplicación de campos eléctricos como los
que se generan por fuentes de voltaje
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Niveles de Energía
• Como hemos visto, en la estructura atómica
aislada existen niveles discretos de energía
asociados con cada electrón que orbita. Cada
material tiene su propio conjunto permitido de
niveles de energía
• IONIZACIÓN: Es el mecanismo por medio del
cual un electrón puede absorber energía
suficiente para escapar de la estructura atómica
e ingresar a la banda de conducción
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Niveles de Energía
• Mientras más distante
se encuentre el
Electrones de Valencia
electrón del núcleo,
mayor es el estado de
Orbitas
energía, y cualquier
electrón que haya
Núcleo
+
dejado a su átomo,
tiene un estado de
energía mayor que
cualquier electrón en la
Existe un rango o una banda de
estructura atómica
posibles niveles de energía para los
electrones de valencia, asimismo
existe un rango o banda de niveles
de energía para los electrones de
conducción
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Niveles de Energía
Aislante
Banda de conducción
Electrones libres
para establecer la
conducción
GAP
Eg> 5eV
Banda de Valencia
Electrones libres
unidos a la estructura
atómica
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Niveles de Energía
Conductor
Banda de conducción
Las bandas se
traslapan
Banda de Valencia
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Niveles de Energía
Semiconductor
Banda de conducción
GAP
Banda de Valencia
Electrones libres
para establecer la
conducción
}
Eg= 1.1eV (Si)
Eg= 0.67eV (Ge)
Eg= 1.41eV (GaAs)
Electrones libres
unidos a la estructura
atómica
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Electrones y Huecos
• Hueco es el espacio vacío que deja un
electrón cuando es excitado
Aumento de Temperatura
Banda de conducción
GAP
Banda de Valencia
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Electrones libres
para establecer la
conducción
Eg> 0.7 eV (Si)
Electrones libres
unidos a la estructura
atómica
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Efecto de la Temperatura en
Semiconductores
• A =0 K, todos los electrones están unidos a sus
enlaces covalentes, no existen electrones libres
ni se puede establecer la conducción, el
material se comporta como un aislante
• A temperatura ambiente, algunos enlaces
covalentes se rompen como resultado de la
vibración térmica
• Algunos electrones se desprenden de los
enlaces favoreciendo la conducción
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Dinámica de la conducción
-
Si
-
-
-
-
Si
-
-
Si
-
-
-
-
Banda de conducción
-
-
Si
-
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
- Si
-
-
-
-
Si
-
-
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-
Si
-
GAP
Banda de Valencia
-
-
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Conducción en Materiales
Semiconductores
• Los electrones en los átomos de silicio y germanio están
unidos firmemente en la estructura cristalina formando
enlaces, estos enlaces no se pueden romper sin recibir
energía externa
• El enlace reticular es eléctricamente neutro
• Cuando un enlace se mueve, un electrón se mueve
libremente a través de la estructura, el enlace
permanece cargado positivamente, e intenta balancear
la carga capturando un electrón.
• Vemos entonces que hay dos grupos independientes de
portadores de carga, electrones de conducción y huecos
• Los huecos tiene propiedades similares a las de un
electrón libre
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Corrientes
• La agitación térmica produce un movimiento aleatorio de electrones
en un semiconductor. Este fenómeno no produce ningún flujo neto
de carga.
• A temperatura diferente de cero, los átomos en la estructura
cristalina poseen energía cinética, y hay un intercambio continuo de
electrones y huecos
• Sin embargo, si algún mecanismo provoca una concentración más
alta en un extremo del semiconductor creando de este modo un
gradiente, los electrones se difunden hacia el otro extremo,
originando un flujo de carga neto conocido como corriente de
difusión.
• Cuando se aplica un campo eléctrico se produce otro movimiento y
los huecos y electrones libres son acelerados, este movimiento se
conoce como corriente de arrastre.
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Semiconductores Intrínsecos
• Son materiales en los cuales hay una banda en
la cual no hay electrones. Los electrones de
valencia no se pueden mover libremente a
través del material, sino que participan en
enlaces covalentes manteniendo la estructura
• En un material intrínseco el número de huecos
es igual al número de electrones, el proceso de
generación crea al mismo tiempo un par
electrón-hueco
• Los semiconductores instrínsecos NO son
buenos conductores de electricidad.
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Materiales Semiconductores
III
IV
B
C
Al
Si
P
Ga
Ge
As
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V
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Concentración de portadores
intrínsecos
ni = BT
•
•
•
•
⎛ − Eg
⎜⎜
3 / 2 ⎝ 2 kT
e
⎞
⎟⎟
⎠
B es una constante relacionada con el material
Eg es el nivel de energía del gap (eV)
T es la temperatura (K)
k es la constante de Boltzmann (86x10-6 eV/K)
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Constantes en semiconductores
Material
Eg(eV)
B(cm-3K-3/2)
Silicio (Si)
1.1
5.23x1015
Arseniuro de
Galio (GaAs)
1.41
2.10x1014
Germanio (Ge)
0.67
1.66x1015
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Semiconductores Extrínsecos
• Las corriente inducidas en los
semiconductores puros son relativamente
pequeñas
• La conductividad en un semiconductor
puede ser incrementada, si se introducen
impurezas en el material
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Dopado
• Cuando una impureza donante se agrega
a un semiconductor aportando huecos o
electrones libres sin que el átomo
aportado pueda moverse
• La impureza puede aportar o huecos
(impureza donadora), o electrones
(impureza aceptadora)
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Material Tipo n
• Si la sustancia dopante tiene exceso de
electrones libres, entonces se le llama
donador y el semiconductor dopado será
de tipo n
• Los portadores mayoritarios serán
electrones y los portadores minoritarios
serán huecos
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Material
tipo n
-
-
-
-
4
-
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-
4
-
4
-
-
-
-
Electrón Libre
-
-
Si
4
-
-
-
Si
P
-
Si
- 4
-
-
-
Fosforo!
-
-
Si
4
-
-
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Si
4
-
-
-
-
Si
4
-
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Material Tipo n
• El Silicio es dopado con Fósforo, Arsénico,
Bismuto o Antimonio
• Esos materiales fueron escogidos tomando en
cuenta que sus átomos no causan problemas en
la estructura cristalina
• Se crea un electrón libre a temperatura
ambiente
• El silicio dopado con un material tipo n necesita
solo 0.05eV para perder un electrón de valencia
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Material Tipo p
• Si la sustancia tiene exceso de huecos
entonces se le conoce como aceptador y
será un semiconductor tipo p
• Los portadores mayoritarios serán huecos
y los portadores minoritarios serán
electrones
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Material
Tipo p -
-
-
-
4
-
-
4
-
-
4
-
-
-
-
-
Enlace faltante
o hueco libre
-
Si
4
-
-
-
Si
3
-
Si
- 4
-
-
-
Boro!
-
-
Si
4
-
-
-
Si
4
-
-
-
-
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Si
4
-
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Material Tipo p
• Las impurezas en un aceptor tienen tres
electrones de valencia
• Para formar un material tipo p se agregan
átomos de Boro, Indio y Galio
• Como le hace falta un electrón de valencia
entonces deja un hueco vacante en la estructura
• El hueco se mueve libremente y crea una carga
positiva móvil
• La carga negativa esta fija en la estructura
imposibilitada para moverse
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Equilibrio térmico
no po = ni
2
• no concentración en equilibrio térmico de
electrones libres
• po concentración en equilibrio térmico de
huecos libres
• ni concentración intrínseca de portadores
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A temperatura ambiente (300K), cada átomo donador aporta un
electrón libre al semiconductor. Si la concentración Nd es más
grande que la concentración intrínseca, entonces podemos
aproximar la expresión a:
no ≅ N d
Entonces la concentración de huecos:
2
n
po = i
Nd
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Similarmente, a temperatura ambiente, cada átomo aceptador
adquiere un electrón de valencia, creando un hueco. Si la
concentración de aceptores Na es mucho más grande que la
concentración intrínseca entonces, podemos aproximar a:
po ≅ N a
Entonces la concentración de electrones:
2
n
no = i
Na
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Corriente de arrastre
• La corriente de arrastre es causada por
campos eléctricos.
• Se asume que un campo eléctrico E,
aplicado en una dirección produce una
fuerza en los electrones, en dirección
opuesta, los electrones adquirirán una
velocidad de arrastre vdn (en cm/s)
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Corriente de Arrastre
Material tipo n
E
vdn
e
Material tipo p
E
h
Jn
vdp
Jn
La densidad total de corriente de arrastre:
J = enµ n + epµ p = σE
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Corriente de Difusión
• Las partículas fluyen de una región de mayor
concentración a una región de menor
concentración.
• Estadísticamente en cualquier instante en
particular, la mitad de las partículas de la región
de mayor concentración se moverán hacia el
lado de menor concentración
• Las partículas concentradas en la región de
menor concentración, también se moverán a la
región de mayor concentración
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Corriente de Difusión
• La concentración de portadores está en función
de la distancia.
n
-- +- -- +- - -- -++- - - +- --- +
- +
x
• El resultado es un flujo neto de partículas desde
la región de alta concentración hacia la región
de baja concentración
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Exceso de Portadores
• Los electrones de valencia pueden
adquirir suficiente energía para romper el
enlace covalente y convertirse en
electrones libres. Cuando esto ocurre, se
producen huecos y electrones generando
pares electrón-hueco.
• Entonces se produces exceso de huecos
y exceso de electrones.
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Exceso de Portadores
• La creación del exceso de electrones y
huecos no continua indefinidamente, esto
es debido a que el electrón en exceso
puede recombinarse con un hueco, en un
proceso llamado recombinación electrón
hueco.
• Tanto el hueco como el electrón
desaparecen hasta alcanzar un estado
estable
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Exceso de electrones
n = no + δn
Exceso de electrones
p = po + δp
• no y po son las concentraciones de huecos
y electrones en equilibrio térmico, δn y δp
representan las concentraciones en
exceso de electrones y huecos
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