En este tutorial, aprenderá sobre una introducción a los semiconductores, que son una parte esencial de la electrónica. Antes de comprender varios dispositivos como diodos semiconductores, transistores, etc., es importante saber un poco sobre la conductividad eléctrica, las brechas de energía y los tipos básicos de semiconductores.
En esta parte del tutorial, sentaremos las bases básicas para un fácil aprendizaje de la siguiente línea, PN Junction.
Tabla de contenido
Introducción
Hay dos tipos de componentes semiconductores en los circuitos electrónicos y en los circuitos eléctricos. Se trata de componentes activos y pasivos. Los diodos son los componentes activos más importantes en los circuitos de diseño electrónico, y las resistencias son los componentes pasivos más importantes. Un diodo es esencialmente un dispositivo unidireccional que tiene una relación exponencial con las características de corriente-voltaje y está hecho de materiales semiconductores.
Los tres materiales esenciales utilizados en electrónica son los aislantes, los semiconductores y los conductores. Estas sustancias se clasifican como fenómenos eléctricos. La resistencia eléctrica, también conocida como resistencia eléctrica, es una medida de la eficiencia con la que un material rechaza el flujo de corriente.
La unidad cualitativa de la resistencia eléctrica es el ohmio metro [Ω m]. Los materiales con baja resistencia eléctrica exhiben una transferencia efectiva de cargas a través del semiconductor.
Un semiconductor es un material cuyo valor de resistencia se encuentra entre el aislante y el conductor. Estos materiales no son ni aislantes inteligentes ni conductores inteligentes. Tienen solo unos pocos electrones libres porque los átomos están estrechamente unidos en una forma muy cristalina y se llaman “redes cristalinas”. Las muestras de semiconductores son el silicio y el germanio.
Los semiconductores son muy importantes en la fabricación de circuitos electrónicos y dispositivos integrados. La conductividad de los semiconductores se puede cambiar fácilmente cambiando la temperatura y la concentración de dopaje en el proceso de fabricación. La capacidad de conducir electricidad en materiales semiconductores aumenta considerablemente al agregar una cierta cantidad de impurezas a la red cristalina para producir electrones libres adicionales que los huecos.
Las propiedades de los materiales semiconductores cambian considerablemente al agregar una pequeña cantidad de impurezas. El proceso de incorporar átomos de impurezas en una red cristalina de silicio para cambiar el equilibrio entre electrones y huecos se denomina dopaje. Estos átomos de impurezas se conocen como dopantes. Dependiendo del tipo de material dopante integrado, los cristales semiconductores se clasifican específicamente en dos tipos: semiconductores de tipo n y semiconductores de tipo p.
Los elementos del grupo V, como el fósforo, el antimonio y el arsénico, generalmente se clasifican como impurezas de tipo N. Este elemento tiene 5 electrones de valencia. Cuando las impurezas de tipo N se dopan en cristales de silicio, cuatro de los cinco electrones de valencia forman cuatro fuertes enlaces covalentes con átomos de cristal adyacentes, dejando un electrón libre.
De manera similar, todos los átomos de impurezas de tipo N producen electrones libres en la banda de conducción, que se desplazan para conducir una corriente eléctrica cuando se aplica un potencial al material. Los semiconductores de tipo N también se conocen como donantes.
Los elementos del grupo III, como el boro, el aluminio, el galio y el indio, generalmente se clasifican como impurezas de tipo P. Este elemento tiene 3 electrones de valencia. Cuando las impurezas de tipo P se dopan en cristales de silicio, los tres electrones de valencia forman tres fuertes enlaces covalentes con átomos de cristal adyacentes.
Hay una deficiencia de electrones que forman un cuarto enlace covalente, y esta deficiencia se llama hueco. De manera similar, todos los átomos de impurezas de tipo P crean agujeros en la banda del espectador, lo que hace que se desvíen para conducir una corriente eléctrica cuando se aplica un potencial al material. Los semiconductores de tipo P también se conocen como aceptores.
resistencia
La propiedad de cualquier material que ayuda a comparar diferentes materiales en función de su capacidad para conducir la corriente eléctrica se conoce como resistencia eléctrica. La resistividad se puede aproximar multiplicando la resistencia R del alambre y el área de la sección transversal A dividida por la longitud del alambre L.
La conductividad, es decir, el recíproco de la resistencia eléctrica, caracteriza conjuntamente cómo una corriente eléctrica puede pasar a través de un material. Los conductores detectables tienen la resistencia eléctrica más baja y una conductividad alta. La resistencia eléctrica depende en gran medida de la presencia de átomos de impurezas en el material y de la temperatura del material, es decir, la temperatura ambiente (20ºC).
Para varios conductores, semiconductores y aislantes, los valores de resistividad cambian linealmente con los cambios de temperatura. El cambio en la resistencia eléctrica por grado Celsius de un cambio de temperatura se denomina coeficiente de resistencia de temperatura. Este coeficiente se denota con la letra “Alfa” (α).
Un coeficiente de temperatura positivo para un material significa que su resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. Los conductores puros suelen tener un coeficiente de resistencia de temperatura positivo. Un coeficiente negativo para un material significa que su resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura.
Los materiales semiconductores (carbono, silicio y germanio) suelen tener un coeficiente de resistencia a la temperatura negativo. En la siguiente tabla se muestran diferentes materiales con valores de resistividad y coeficientes de temperatura.
director
El conductor está hecho de un material de baja resistencia con un valor de resistencia del orden de microohmios por metro (μΩ/m). Los metales con una resistividad eléctrica muy baja de 1 x ohmios metros se denominan conductores. Hay una gran cantidad de electrones libres en este metal.
Estos electrones libres abandonan la capa de valencia del átomo padre y forman una deriva de electrones conocida como corriente eléctrica. Por lo tanto, el metal es un excelente conductor de la electricidad.
Los metales como el cobre, el aluminio, el oro y la plata, así como otros no metales como el carbono, son materiales antiguos y conductores. La mayoría de los conductores metálicos son excelentes conductores de electricidad, con pequeños valores de resistencia y altos valores de conducción.
Durante el proceso de conducción, el calor fluye por todo el cuerpo. Durante la conducción, este flujo de calor puede considerarse una pérdida de energía, y la pérdida aumenta con el aumento de la temperatura después de alcanzar la temperatura ambiente, es decir, 25 °C.
Aislante
A diferencia de los conductores, los aisladores están formados por no metales con valores de resistencia del orden de 1 x ohmímetro. Dado que los electrones más externos están estrechamente unidos por enlaces covalentes entre un par de átomos, hay pocos o ningún electrón libre que fluya a través del metal base o dentro de la estructura atómica principal. Dado que los electrones están cargados negativamente, los electrones libres dentro de la capa de valencia son fácilmente atraídos por partículas cargadas positivamente dentro del núcleo.
Debido a la ausencia de electrones libres, cuando se aplica un potencial positivo, no fluye corriente a través del material que proporciona las propiedades aislantes. Por lo tanto, los aisladores (no metálicos) son muy malos conductores de electricidad.
Los metales básicos como el vidrio, el plástico, el caucho, la madera, la arena, el cuarzo y el teflón son ejemplos razonables de aislantes. Los aisladores de vidrio se utilizan para la transmisión de energía de voltaje primario. Los aislantes se utilizan como protectores del calor, el sonido y la electricidad.
semiconductor
Los semiconductores tienen propiedades eléctricas entre el aislante y el conductor. Algunos ejemplos inteligentes de semiconductores perfectos son el silicio (Si), el germanio (Ge) y el arseniuro de galio (GaAs). Estos elementos tienen solo unos pocos electrones dentro de su estructura atómica principal que forman la red cristalina.
El silicio, el material básico de los semiconductores, contiene cuatro electrones de valencia dentro de su capa exterior, formando cuatro fuertes enlaces covalentes con cuatro átomos de silicio adyacentes, y cada átomo comparte electrones con los átomos vecinos para formar fuertes enlaces covalentes. Los átomos de silicio se forman en forma de redes para crear una estructura cristalina.
Es posible conducir la corriente a los cristales semiconductores de silicio suministrando un potencial externo al semiconductor e incorporando un dopante de impurezas en el cristal semiconductor para crear ánodos y agujeros cargados negativamente.
La estructura de los átomos de silicio puro.
Los átomos de silicio tienen 14 electrones. Sin embargo, la disposición orbital tiene solo cuatro electrones de valencia compartidos por la valencia alternativa. Estos electrones de valencia juegan un papel importante en el efecto fotovoltaico. Un gran número de átomos de silicio se combinan para crear una estructura cristalina.
En esta estructura, cada átomo de silicio comparte uno de los cuatro electrones de valencia con su vecino átomo de silicio. Los cristales sólidos de silicio están formados por una serie regular de unidades formadas por cinco átomos de silicio. Esta disposición regular y fija de los átomos de silicio es una unidad llamada red cristalina.
Semiconductor de tipo N
Las impurezas como el fósforo, el arsénico y el antimonio se agregan a la estructura cristalina de silicio para convertir los semiconductores intrínsecos en semiconductores extrínsecos. Estos átomos de impurezas se conocen como impurezas pentavalentes como resultado de que los cinco electrones de valencia en la capa más externa comparten sus electrones libres con los átomos vecinos.
El átomo de impureza pentavalente también se denomina donante porque los cinco electrones de valencia del átomo de impureza se combinan con los cuatro electrones de valencia del silicio para formar cuatro enlaces covalentes, dejando un electrón libre. Cada átomo de impureza produce un electrón libre dentro de la banda de conducción. Cuando se aplica un potencial positivo a un semiconductor de tipo N, los electrones libres restantes forman una deriva para generar una corriente eléctrica.
Los semiconductores de tipo N son mejores conductores que los materiales semiconductores nativos. La mayoría de los portadores de carga en los semiconductores de tipo N son electrones, y los portadores de carga minoritarios son agujeros. Los semiconductores de tipo N no están cargados negativamente porque la carga negativa del átomo de impureza donante se equilibra con la carga positiva en el núcleo.
La principal contribución al flujo de corriente son los electrones cargados negativamente, pero hasta cierto punto es aportada por los huecos cargados positivamente debido a los pares electrón-hueco.
Dopaje de semiconductores de tipo N
Cuando se agrega un elemento del grupo 5, como una impureza de antimonio, a un cristal de silicio, el átomo de antimonio combina los electrones de valencia del antimonio con los electrones de valencia dentro de la capa más externa del silicio, formando cuatro átomos de silicio y cuatro enlaces covalentes, dejando un electrón libre. Por lo tanto, los átomos de impurezas han donado electrones libres a su estructura, por lo que estas impurezas se denominan átomos donantes.
Semiconductor tipo P
Los elementos del grupo 3, como el boro, el aluminio y el indio, complementan la estructura cristalina de silicio con solo tres electrones dentro de la capa más externa y forman tres enlaces covalentes cerrados, dejando agujeros en las estructuras de enlaces covalentes, dejando así agujeros en las bandas de valencia del diagrama de nivel de energía.
Esta acción deja un gran número de portadores cargados positivamente llamados agujeros en la estructura cristalina cuando hay una deficiencia de electrones. Estos elementos del grupo tres se denominan átomos de impurezas trivalentes.
La presencia de abundantes huecos atrae a los electrones vecinos para que se asienten en ellos. Mientras el electrón llene el hueco en el cristal de silicio, cuanto más lejos del electrón, el nuevo agujero se formará detrás del electrón. El agujero recién creado atrae con éxito los electrones, y la creación de otro nuevo agujero conduce al movimiento del agujero, creando un flujo de corriente estándar en el semiconductor.
El movimiento de poro del cristal de silicio se ve como un ánodo al cristal de silicio. Mientras el átomo de impureza siempre produzca agujeros, los elementos del grupo 3 se denominan receptores porque el átomo de impureza acepta continuamente electrones libres.
El dopaje de los elementos del grupo 3 en los cristales de silicio da lugar a semiconductores de tipo P. Estos huecos semiconductores de tipo P son los portadores de carga mayoritarios y los electrones son los portadores de carga minoritarios.
Dopaje de semiconductores de tipo P
Cuando se agregan elementos del grupo 3 como boro, galio e indio a un cristal semiconductor, una valencia impura con tres electrones de valencia forma tres enlaces covalentes fuertes con los electrones de valencia del cristal de silicio, dejando una vacante. Esta vacante se denomina agujero y se representa mediante un diagrama. Como no hay carga negativa, es un pequeño círculo o signo positivo.
Resumen de los fundamentos de los semiconductores
El material de tipo N es un tipo de material formado mediante la adición de elementos del grupo 5 (átomos de impurezas pentavalentes) a un cristal semiconductor, que conduce una corriente eléctrica mediante el movimiento de electrones.
En semiconductores de tipo N
- Los átomos de impurezas son elementos pententes.
- Los elementos de impurezas con cristales sólidos proporcionan una gran cantidad de electrones libres.
- Las impurezas pentevalentes también se conocen como donantes.
- El dopaje proporciona menos agujeros en relación con el número de electrones libres.
- El dopaje con elementos del grupo 5 produce donantes cargados positivamente y electrones libres cargados negativamente.
El material de tipo P es un tipo de sustancia que se forma cuando se agregan elementos del grupo 3 (átomos de impurezas trivalentes) a un cristal sólido. En este semiconductor, el flujo de corriente es causado principalmente por agujeros.
En semiconductores de tipo P
- El átomo de impureza es un elemento trivalente.
- El elemento trivalente da como resultado un número excesivo de huecos que siempre aceptan electrones. Por lo tanto, las impurezas trivalentes se denominan receptores.
- El dopaje tiene un pequeño número de electrones libres en comparación con el número de agujeros.
- El dopaje da como resultado receptores cargados negativamente y agujeros cargados positivamente.
Tanto el tipo p como el tipo n son eléctricamente neuronales en sí mismos, ya que la contribución de electrones y huecos necesarios para conducir una corriente eléctrica es igual debido a los pares electrón-hueco. El boro (B) y el antimonio (Sb) se denominan cuasimetales porque son los agentes dopantes más utilizados para los semiconductores intrínsecos para mejorar sus propiedades de conductividad.
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