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Introducción a la
Electrónica
Dispositivos semiconductores
12/08/2008
Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores y su evolución
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Millikan - la naturaleza discreta de la carga eléctrica
Planck - la teoría quántica
Einstein – Efecto fotoeléctrico
Schrondinger – Ecuación de ondas
…
1948, laboratorios Bell – primer transistor
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Germanio
Ganancia de voltaje de 100
Frecuencias de audio
1956 – Premio Nobel !!
Precio de un transistor – 10 $
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores y su evolución
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1961 – Primer circuito integrado
•
4 transistores + 2 resistencias
1969 – Primer amplificador operacional
Costo: 75 $
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1967 – Memoria de 64 bits
1968 – Memoria de 1024 bits
1994 – Memoria de 256 megabits
2008 - ??
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Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores - Introducción
Existen dos mecanismos asociados al transporte de
partículas cargadas en un sólido
Corriente de
desplazamiento
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Corriente de
difusión
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Semiconductores - Introducción
Corriente de desplazamiento
Movimiento aleatorio sin
un campo eléctrico
aplicado
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Movimiento aleatorio
con un campo eléctrico
aplicado
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Semiconductores - Introducción
Conductividad
Corriente
Velocidad de desplazamiento promedio
Conductividad
Densidad de corriente
Número de
portadores de carga
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Movilidad
Semiconductores - Introducción
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Conductividad
plata
cobre
aluminio
grafito
conductores
germanio
semiconductores
silicio
Agua destilada
baquelita
aisladores
mica
cuarzo
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Semiconductores - Introducción
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Corriente de difusión
•
Si existe una elevada concentración de partículas en
una región comparada con otra, existirá un
desplazamiento neto de partículas que ecualizara la
concentración luego de un periodo de tiempo
Concentración inicial
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Concentración final
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Semiconductores - Introducción
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Corriente de difusión
Flujo de partículas
Constante de difusión
Relación de
Einstein
Densidad de corriente (electrones)
Densidad de corriente (cargas positivas)
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Las constantes de difusión y la
movilidad están relacionadas.
Ambas constantes relacionan
el movimiento de las
partículas y las colisiones
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Teoría de bandas de energía
Atomo aislado de hidrogeno
Modelo de Bohr:
la energia de los electrones
en sistemas atomicos esta
restringida a un limitado set
de valores.
•El desplazamiento de un electron de un nivel
discreto de energia hacia otro de mayor nivel
requiere una cantidad de energia extra.
•Un electron desplazandose hacia un nivel de
energia inferior, libera una cantidad discreta de
energia
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Cada nivel de
energia corresponde
a una orbita del
electron alrededor
del nucleo
Teoría de bandas de energía
Un solido esta formado por diversos atomos cuyos niveles de
energia interactuan entre si, resultando en un acoplamiento de los
niveles discretos de energia formando bandas de niveles de
energia permtidos
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Teoría de bandas de energía
Diagrama de bandas de energia
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Banda de valencia: los electrones
no son moviles, no contribuyendo
a la conduccion de corriente electrica.
Banda de conduccion: es la banda ubicada sobre la banda de
valencia. Se encuentra parcialmente llena. Excitando con una
pequena cantidad de energia, se puede iniciar el desplazamiento
de los electrones -> corriente electrica.
Banda prohibida: esta ubicada entre la banda de conduccion y
la banda de valencia. Son niveles continuos de energia que no
pueden ser ocupados por portadores de carga.
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Teoría de bandas de energía
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Clasificación de los materiales
•Existen electrones en la banda de
conducción a temperatura ambiente.
semiconductor
conductor
aislador
•Las bandas de conducción y de
valencia se solapan.
•Banda de conducción vacía
•Banda de valencia llena
•Gran cantidad de energía es requerida para
desplazar un electrón de la banda de
valencia a la de conducción
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•Existe un gran número de electrones en
la banda de conducción a temperatura
ambiente.
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Teoría de bandas de energía
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Clasificación de los materiales
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Semiconductores: Silicio
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Estructura cristalina
•
•
La distribución espacial de los átomos dentro de un
material determina sus propiedades.
El silicio puede existir en tres formas diferentes
• Amorfo -> grafito
• Policristalino
• Cristalino -> diamante
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Semiconductores: Silicio
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Estructura cristalina
Enlaces covalentes
Átomo de silicio
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Semiconductores: Silicio

Portadores
Cuando un enlace de
Si-Si es roto, el electrón
asociado es un portador
de 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
Remover un
electrón de la banda
de valencia crea un
estado vacío.
Electrones y lagunas son portadores
en los semiconductores
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Semiconductores: Silicio
Generación de pares electrones-lagunas
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
Simultáneamente, la ruptura del enlace, deja
una carga positiva neta en la estructura de
valencia -> lagunas
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las lagunas
Semiconductores: Silicio
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Circulación de corriente en un semiconductor
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Silicio con dopaje
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El agregado de un pequeño porcentaje de átomos
foráneos en la estructura cristalina del silicio
produce importantes cambios en sus propiedades
eléctricas.
•
•
•
•
Material tipo N: Dopantes con valencia +5 son
utilizados.
4 electrones de la banda de valencia forman enlaces
covalentes con los átomos vecinos de silicio. 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
Conductividad
Concentración de átomos donores
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Silicio – Tipo P
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TIPO P
•
•
•
Dopantes con valencia +3 son empleados: Boro,
Galio, Indio.
Para completar el enlace covalente con átomos de
silicio, un electrón es atraído de la banda de valencia
dejando una laguna.
impureza aceptora: acepta un electrón de la banda de
valencia
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Semiconductores

Terminología
• Semiconductor intrínseco:
•
•
•
•
•
semiconductor sin el agregado de impurezas
Donor:
•
Átomos de impurezas que incrementan la concentración de
electrones
Aceptor
•
Átomos de impurezas que incrementan la concentración de
lagunas
Portadores mayoritarios:
•
Los portadores mas abundantes en un semiconductor.
Electrones en material tipo N y lagunas en material tipo P.
Portadores minoritarios:
•
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
La concentración de
átomos donores es
mayor que la de
aceptores
aislados
A temperatura ambiente,
•Cada electrón de los
átomos donores tiene
suficiente energía para
escapar de su átomo y
puede desplazarse
libremente.
•Los átomos aceptores
han adquirido un electrón
de la banda de valencia,
dejando lagunas que
circulan libremente
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Juntura 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 atomos donores
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).
Región P: Las lagunas se difunden hacia la
región N.
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Electrones
Lagunas
Juntura 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 de depleción : capa de iones
sin neutralizar
Densidad
de carga
Campo eléctrico
El campo eléctrico desplaza los
electrones fuera de la región de depleción
potencial
Corriente de desplazamiento
EQUILIBRIO : otros electrones de la región
Corriente de
difusión
N
P
Corriente de
desplazamiento
=
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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
Introducción a la Electrónica 2008
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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Introducción a la Electrónica 2008
Juntura PN – polarización directa
Al ser polarizada directamente la
juntura PN, el potencial de juntura
disminuye.
Los electrones se difunden
hacia la región P y las
lagunas hacia la región N
Corriente de difusión
Corriente de desplazamiento
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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.
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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Introducción a la Electrónica 2008
Juntura PN
EQUILIBRIO
Polarización directa
Polarización inversa
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El diodo
•
La corriente de lagunas y la corriente de electrones
son asumidas como corrientes de difusión.
Corriente de saturación inversa : es función del
área de juntura, de las constantes de difusión,
concentración de equilibrio y longitud de difusión
de los portadores minoritarios
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Tensión de ruptura
inversa
Modelo del diodo
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El diodo – Efecto zener
Si un voltaje negativo
suficientemente elevado es
aplicado, la juntura PN
experimentara una rápida
avalancha y conducirá en la
dirección inversa.
Los electrones de valencia que son
liberados bajo la influencia del
campo eléctrico aplicado, son
acelerados colisionando con otros
electrones creando una avalancha.
Modificando el espesor de la
capa donde el voltaje es
aplicado, el efecto zener
puede ocurrir a tensiones
inversas desde los 4 volts
hasta cientos de volts.
09/08/2017
En esta región, pequeños cambios
en el voltaje aplicado pueden
causar grandes variaciones de
corriente.
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El diodo – Aplicaciones
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Rectificadores
Reguladores
Circuitos de enclavamiento
Circuitos lógicos
LEDs, fotodiodos
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Rectificadores
Rectificador de media onda
Rectificador de onda completa
09/08/2017
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Rectificadores
Rectificador de onda completa
09/08/2017
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Rectificadores con filtro RC
09/08/2017
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Rectificadores con filtro RC
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Rizado en filtros RC (ripple)
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Rectificadores
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Ejemplo: Cargador de batería
09/08/2017
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Reguladores
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Recortadores
09/08/2017
Introducción a la Electrónica 2008
Circuitos lógicos con diodos
09/08/2017
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