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SEMICONDUCTORES
Los átomos de silicio y germanio, elementos químicos típicos utilizados en la
fabricación de semiconductores, tienen 14 y 32 electrones respectivamente,
ordenados en capas concéntricas alrededor del nucleo. Cada capa está ocupada por
un número determinado de electrones. Pero en la capa más externa o alejada del
nucleo, llamada capa de valencia, tanto el silicio como el germanio disponen de
cuatro electrones. La unión entre los átomos para formar un cristal se va a realizar
gracias a estos electrones de la capa de valencia. En realidad la estructura de un
cristal de silicio (Si) es tridimensional y los átomos se disponen de forma regular
formando una red cristalina en la que las fuerzas de ligazón entre átomos se
materializan al compartir cada átomo sus cuatro electrones de la capa de valencia con
los electrones de la capa de valencia de cuatro átomos vecinos. En esto consiste el
llamado enlace covalente. Para facilitar la comprensión, se representa un ejemplo
gráfico sencillo a nivel del plano, no espacial, en el que disponemos los nucleos
atómicos con los respectivos electrones de la capa de valencia. El resto de los
electrones de las capas más internas no se representan por no afectar a los enlaces.
Estructura de un cristal de silicio. Los electrones de la capa de valencia que
corresponden a cada átomo, están señalados por las líneas. Se destacan
dentro de las elipses algunos enlaces covalentes.
En la práctica un cristal de silicio o germanio en estas condiciones tiene, desde el
punto de vista eléctrico, una conductivad muy pequeña por lo que su comportamiento
es similar a un material aislante. A este tipo de cristales, en el que todos los átomos
que lo forman son de un mismo elemento, se les llama cristales puros o intrínsecos.
Para transformar un cristal aislante de este tipo en un material conductor, se
introducen en el cristal de silicio (en la explicación nos limitamos a los ejemplos con el
silicio) átomos de otro elemento distinto mediante métodos complejos. A esta
operación se llama dopado y el cristal se transforma en un cristal impuro o
extrínseco, ya que ahora, no todos los átomos son del mismo elemento. Como dato
orientativo se puede decir que para crear cristales extrínsecos, se introducen en la red
cristalina un átomo de impureza por cada cien millones de átomos de silicio
aproximadamente.
............................
Existen dos posibilidades de crear cristales extrínsecos:


Añadiendo impurezas pentavalentes, es decir, átomos de elementos que tengan
cinco electrones en la capa de valencia como son el arsénico (As) y el antimonio
(Sb). Al cristal así formado se denomina cristal N.
Añadiendo impurezas trivalentes, es decir, átomos con tres electrones en la capa
de valencia. Se forma entonces el cristal P. Los elementos típicos utilizados son el
galio (Ga) y el indio (In).
CRISTAL N
Al introducir en un cristal puro átomos de impureza pentavalente, como puede
ser el antimonio, estos pasan a integrarse en la red formando enlaces covalentes
como cualquier átomo de silicio. Pero como los átomos de antimonio tienen cinco
electrones en la capa de valencia, cuatro de ellos forman los enlaces con los de los
átomos vecinos y el quinto queda libre de enlace covalente. De esta forma quedan
libres un gran número de electrones capaces de trasladar la carga eléctrica al aplicar
una diferencia de potencial. Se puede decir pues que el cristal N es un material rico en
electrones.
Electrón libre de enlace
Estructura de un cristal tipo N. Se ha introducido un átomo de antimonio (Sb).
Los electrones de la capa de valencia correspondientes a cada átomo están
unidos por las líneas. Nótese el quinto electrón de la impureza libre de enlace
covalente.
CRISTAL P
Al introducir en un cristal puro átomos de impureza trivalente, como el galio,
estos se integran en la red aportando todos sus electrones de la capa de valencia para
formar los enlaces. Pero aún así son insuficientes, ya que los átomos solo disponen de
tres electrones en esta capa. Quiere esto decir que la unión de estos átomos con los de
silicio vecinos no es perfecta porque queda un enlace sin completar. En esta estructura
incompleta se origina un hueco por cada átomo de impureza introducido, es decir un lugar
donde debiera estar un electrón para completar todos los enlaces. Estos huecos tienden a
anexionar electrones para completar los enlaces, actuando como si fuesen cargas
positivas que atraerán a las negativas (electrones) al aplicar una diferencia de potencial.
Se puede entonces decir que el cristal P es un material rico en cargas positivas.
Estructura de un cristal tipo P. El átomo de galio (Ga) tiene tres electrones
en la capa de valencia. Le falta un electrón para completar los enlaces y se
ha creado un hueco que actúa como una carga positiva.
REPRESENTACION DEL CRISTAL N
Desde el punto de vista eléctrico los átomos anteriores se encuentran en estado
neutro, es decir, existen tantas cargas negativas (electrones) en la corteza como cargas
positivas (protones) en el núcleo. Así pues, cuando un átomo pierde un electrón se
transforma en un ion positivo (átomo con exceso de cargas positivas o protones). Se
puede afirmar entonces, que el átomo en estado neutro es un ion positivo con un electrón
y así lo representaremos.
En la representación utilizamos solamente átomos de impureza. Además solo
ponemos el electrón libre que es la causa directa de la conducción.
Atomo en estado neutro
Ion positivo. Se ha ido el electrón.
Según lo anterior representamos el cristal N de la siguiente forma:
REPRESENTACION DEL CRISTAL P
Cuando un átomo, inicialmente en estado neutro, absorbe un electrón, se
transforma en un ion negativo (átomo con exceso de cargas negativas o electrones). Se
puede afirmar también, que el átomo en estado neutro es un ion negativo con una carga
positiva. Como en el cristal P los huecos de los átomos de impureza se comportan como
cargas positivas se puede representar como en la figura.
Recordamos que en la representación utilizamos solamente átomos de impureza.
En este caso, solo ponemos el hueco (con signo +) que es la causa directa de la
conducción al actuar como si fuera una carga positiva:
Atomo en estado neutro
Ion negativo. Un electrón ha ocupado el hueco.
Se puede, entonces, representar el cristal P de la siguiente forma:
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
DIODO SEMICONDUCTOR
El diodo es la unión de un cristal P y un cristal N. Esta unión origina un elemento
que es semiconductor, es decir, que en unas condiciones se comporta como conductor y
en otras como aislante. Veamos la formación del diodo:
Al unir el cristal N y el cristal P se produce un movimiento inicial de los electrones
de cristal N más próximos a la unión hacia los huecos del cristal P más próximos a la
unión ya que los huecos actúan como cargas positivas que atraen a los electrones (como
en la figura)
Cristal N
Cristal P
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
A consecuencia de esta combinación inicial se forma una zona con iones
positivos y negativos a ambos lados de la unión. Esta zona se llama de difusión o
agotada ya que, en ella, no hay ni electrones libres, ni huecos (figura inferior).
Pero podríamos preguntar: ¿Por qué no se produce este efecto con el resto de
electrones y huecos?
La acumulación inicial de carga negativa (iones negativos) en la zona agotada,
ejerce una fuerza de repulsión sobre el resto de los electrones que intenten pasar la unión.
Este efecto se llama efecto barrera o barrera de potencial.
Cristal N
Zona agotada
Cristal P
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Diferencia de potencial
0,6 v. – 0,3 v.
Acumulación de carga positiva
Acumulación de carga negativa
La acumulación de carga, positiva a un lado y negativa al otro, crea una diferencia de
potencial cuyo valor es aproximadamente de 0,6 voltios en el caso de utilizar silicio o de
0,3 voltios en el caso de germanio.
SÍMBOLO DEL DIODO
En un diodo, el cristal N recibe el nombre de cátodo y el cristal P recibe el
nombre de ánodo. El símbolo general de un diodo es:
Ánodo
Cátodo
En la práctica los diodos vienen identificados con una banda blanca o negra
colocada en el extremo correspondiente al cátodo.