¿Qué es un
semiconductor?
Es un material con una resistividad menor que un aislante y mayor que un
conductor. Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o
como un aislante dependiendo
de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la
presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se
encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta.
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Elemento
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Grupo
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Electrones
en su Última Capa
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Cd
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12
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2 e
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Al, Ga,
B, Ln
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13
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3 e
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Si, C,
Ge
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14
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4 e
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P, As,
Sb
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15
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5 e
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Se, Te,
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16
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6 e
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El elemento semiconductor más usado
es el silicio, el segundo el germanio, aunque idéntico comportamiento presentan
las combinaciones de elementos de los grupos 12 y 13 con los de los grupos 16 y
15 respectivamente (GaAs, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). Posteriormente se ha
comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es
que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².
Molécula de Silicio
Semiconductores
intrínsecos
Es
un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraédrica similar a
la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura
representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a
temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria
para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la
banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de
1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.
El
proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer,
desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco
en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se le denomina recombinación.
Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares
e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de
electrones y huecos permanece constante. Siendo "n" la concentración
de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas
positivas), se cumple que:
ni = n = p
Siendo
ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura
y del tipo de elemento.
Ejemplos
de valores de ni a temperatura ambiente (27 ºC):
ni(Si) = 1.5 1010cm-3
ni(Ge) = 2.4 1013cm-3
Los
electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En los
semiconductores, ambos tipos de portadores contribuyen al paso de la corriente
eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen
dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los
electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al
desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar
a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos con 4 capas
ideales y en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y
magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.
Semiconductores
extrínsecos
Si
a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño
porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el
semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Las impurezas
deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al
correspondiente átomo de silicio. Hoy en día se han logrado añadir impurezas de
una parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificación del
material.
Semiconductor tipo N
Un
Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo
un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de
portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones).
Cuando
se añade el material dopante, aporta sus electrones más débilmente vinculados a
los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido
como material donante, ya que da algunos de sus electrones.
Semiconductor Tipo N
El
propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones
portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje
tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una
valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada
uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de
valencia, tales como los del grupo 15 de la tabla periódica (ej. fósforo (P),
arsénico (As) o antimonio (Sb), se incorpora a la red cristalina en el lugar de
un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un
electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de
"electrones libres", el número de electrones en el material supera
ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores
mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los
átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que
"dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre
en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el
material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de
cero.
Semiconductor tipo P
Un
Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo
un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de
portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).
Cuando
se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de
los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como
material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son
conocidos como huecos.
Semiconductor Tipo P
El
propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del
silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica)
se le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13
de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina
en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces
covalentes y un hueco producido que se encontrará en condición de aceptar un
electrón libre.
Así
los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha
desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se
ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta carga
positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos
superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos
son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores
minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que
contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que
se produce de manera natural.
El diodo
Un
diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación
de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido.1 Este término
generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la
actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos
terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto
para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una
lámina como ánodo, y un cátodo.
De
forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos
regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un
circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado
con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les
suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la
parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una
corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está
basado en los experimentos de Lee De Forest.
Un
diodo semiconductor moderno está hecho de cristal semiconductor como el silicio
con impurezas en él para crear una región que contenga portadores de carga
negativa (electrones), llamada semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contenga portadores de
carga positiva (huecos), llamada semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite
dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde la
importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una corriente de
electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es
decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al
flujo de los electrones).
Al
unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al
p. Al establecerse una corriente de difusión, aparecen cargas fijas en una zona
a ambos lados de la unión, zona que recibe el nombre de región de agotamiento.
A
medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va
incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la
unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones
negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los
electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento,
que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Este
campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión
entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (VD) es de 0,7 V en el caso
del silicio y 0,3 V para los cristales de germanio.
La
anchura de la región de agotamiento una vez alcanzado el equilibrio, suele ser
del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado
que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.
Cuando
se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo
está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa
Es la unión de
dos semiconductores extrínsecos, uno tipo P y otro tipo N.
Polarización directa del
diodo.
En este caso, la batería disminuye la
barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la
corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado
directamente conduce la electricidad.
Para que un diodo esté polarizado
directamente, se debe conectar el polo positivo de la batería al ánodo del
diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:
Polarización Directa del Diodo
·
El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal
n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.
·
El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del
cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión
p-n.
·
Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es
mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los
electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a
los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la
unión p-n.
·
Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando
la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p
convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es
atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo
hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo
conductor y llega hasta la batería.
De este modo, con la batería cediendo
electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p,
aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.
Polarización
inversa del diodo.
En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el
polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la
tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la
batería, tal y como se explica a continuación:
·
El polo
positivo de la batería atrae a los electrones libres
de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor
dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los
electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran
neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción,
adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo)
y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.
·
El polo
negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la
zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con
lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de
silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que
falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones
libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos
con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su
orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en
iones negativos.
·
Este
proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere
el mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la
corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se
formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor)
a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de
1 μA)
denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también
una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su
propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del
diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de
suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para
obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto
de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que
los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual
que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es
despreciable.
Polarizacion inversa del Diodo
Representación
del diodo
Diodo real:
El símbolo del diodo:
En este símbolo la base del
triángulo representa al ánodo (zona P) y el vértice y la línea vertical al
cátodo (zona N)
Gráfica I vs V del diodo
Si medimos los valores de I y de V en el diodo tanto en
polarización directa como inversa podemos obtener la siguiente gráfica:
Tensión mínima Vu: es la V mínima de
la pila en polarización directa para que conduzca el diodo.
Intensidad máxima: si la intensidad que circula a través del diodo
es elevada el diodo se quema.
Avalancha: cuando polarizamos en inversa y aumentamos
la tensión en exceso se llega a la avalancha que produce
la destrucción del diodo
Efecto Zener: (diodos muy dopados). Cuanto
más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto
que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre
la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el
campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas
condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia
incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o
menores.
Gráfica del Diodo
Tipos de Diodos
Existen
varios tipos de diodos, que pueden diferir en su aspecto físico, impurezas, uso
de electrodos, que tienen características eléctricas particulares usados para
una aplicación especial en un circuito. El funcionamiento de estos diodos es
fundamentado por principios de la mecánica cuántica y teoría de bandas.
Los diodos normales o
rectificadores: los
cuales operan como se describía más arriba, se hacen generalmente de silicio
dopado o germanio. Antes del desarrollo de estos diodos rectificadores de
silicio, se usaba el óxido cuproso y el selenio: su baja eficiencia le dio una
caída de tensión muy alta (desde 1,4 a 1,7 V) y requerían de una gran
disipación de calor mucho más grande que un diodo de silicio. La gran mayoría
de los diodos pn se encuentran en circuitos integrados CMOS, que incluyen dos
diodos por pin y muchos otros diodos internos.
Diodo avalancha (TVS): Diodos que conducen en dirección
contraria cuando el voltaje en inverso supera el voltaje de ruptura, también se
conocen como diodos TVS. Eléctricamente son similares a los diodos Zener, pero
funciona bajo otro fenómeno, el efecto avalancha. Esto sucede cuando el campo
eléctrico inverso que atraviesa la unión p-n produce una onda de ionización,
similar a una avalancha, produciendo una corriente. Los diodos avalancha están
diseñados para operar en un voltaje inverso definido sin que se destruya. La
diferencia entre el diodo avalancha (el cual tiene un voltaje de reversa de aproximadamente
6.2 V) y el diodo zener es que el ancho del canal del primero excede la
"libre asociación" de los electrones, por lo que se producen
colisiones entre ellos en el camino. La única diferencia práctica es que los
dos tienen coeficientes de temperatura de polaridades opuestas (la disipación
de calor máxima es mayor en un diodo zener, es por ello que estos se emplean
principalmente en circuitos reguladores de tensión). Este tipo de diodos se
emplean para eliminar voltajes y corrientes transitorios que pudieran provocar
un mal funcionamiento de un bus de datos que conecte dos dispositivos sensibles
a voltajes transitorios.
Diodo de Silicio: Suelen tener un tamaño milimétrico
y, alineados, constituyen detectores multicanal que permiten obtener espectros
en milisegundos. Son menos sensibles que los fotomultiplicadores. Es un
semiconductor de tipo p (con huecos) en contacto con un semiconductor de tipo n
(electrones). La radiación comunica la energía para liberar los electrones que
se desplazan hacia los huecos, estableciendo una corriente eléctrica
proporcional a la potencia radiante.
Diodo de cristal: Es un tipo de diodo de contacto. El
diodo cristal consiste de un cable de metal afilado presionado contra un
cristal semiconductor, generalmente galena o de una parte de carbón. El cable
forma el ánodo y el cristal forma el cátodo. Los diodos de cristal tienen una
gran aplicación en los radio a galena. Los diodos de cristal están obsoletos,
pero puede conseguirse todavía de algunos fabricantes.
Diodo de corriente
constante: Realmente
es un JFET, con su compuerta conectada a la fuente, y funciona como un
limitador de corriente de dos terminales análogo al diodo Zener, el cual limita
el voltaje. Permiten una corriente a través de ellos para alcanzar un valor
adecuado y así estabilizarse en un valor específico. También suele llamarse
CLDs (por sus siglas en inglés) o diodo regulador de corriente.
Diodo túnel o Esaki: Tienen una región de operación que
produce una resistencia negativa debido al efecto túnel, permitiendo amplificar
señales y circuitos muy simples que poseen dos estados. Debido a la alta
concentración de carga, los diodos túnel son muy rápidos, pueden usarse en
temperaturas muy bajas, campos magnéticos de gran magnitud y en entornos con
radiación alta. Por estas propiedades, suelen usarse en viajes espaciales.
Diodo Gunn: Similar al diodo túnel son
construidos de materiales como GaAs o InP que produce una resistencia negativa.
Bajo condiciones apropiadas, las formas de dominio del dipolo y propagación a
través del diodo, permitiendo osciladores de ondas microondas de alta frecuencia.
Diodo emisor de luz o
LED: del acrónimo
inglés, light-emitting diode: Es un diodo formado por un semiconductor con
huecos en su banda de energía, tal como arseniuro de galio, los portadores de
carga que cruzan la unión emiten fotones cuando se recombinan con los
portadores mayoritarios en el otro lado. Dependiendo del material, la longitud
de onda que se pueden producir varía desde el infrarrojo hasta longitudes de
onda cercanas al ultravioleta. El potencial que admiten estos diodos dependen
de la longitud de onda que ellos emiten: 2.1V corresponde al rojo, 4.0V al
violeta. Los primeros ledes fueron rojos y amarillos. Los ledes blancos son en
realidad combinaciones de tres ledes de diferente color o un led azul revestido
con un centelleador amarillo. Los ledes también pueden usarse como fotodiodos
de baja eficiencia en aplicaciones de señales. Un led puede usarse con un
fotodiodo o fototransistor para formar un optoacoplador.
Diodo láser: Cuando la estructura de un led se
introduce en una cavidad resonante formada al pulir las caras de los extremos,
se puede formar un láser. Los diodos láser se usan frecuentemente en
dispositivos de almacenamiento ópticos y para la comunicación óptica de alta
velocidad.
Diodo térmico: Este término también se usa para los
diodos convencionales usados para monitorear la temperatura a la variación de
voltaje con la temperatura, y para refrigeradores termoeléctricos para la
refrigeración termoeléctrica. Los refrigeradores termoeléctricos se hacen de semiconductores,
aunque ellos no tienen ninguna unión de rectificación, aprovechan el
comportamiento distinto de portadores de carga de los semiconductores tipo P y
N para transportar el calor.
Fotodiodos: Todos los semiconductores están
sujetos a portadores de carga ópticos. Generalmente es un efecto no deseado,
por lo que muchos de los semiconductores están empacados en materiales que
bloquean el paso de la luz. Los fotodiodos tienen la función de ser sensibles a
la luz (fotocelda), por lo que están empacados en materiales que permiten el
paso de la luz y son por lo general PIN (tipo de diodo más sensible a la luz).
Un fotodiodo puede usarse en celdas solares, en fotometría o en comunicación
óptica. Varios fotodiodos pueden empacarse en un dispositivo como un arreglo
lineal o como un arreglo de dos dimensiones. Estos arreglos no deben
confundirse con los dispositivos de carga acoplada.
Diodo con puntas de
contacto: Funcionan
igual que los diodos semiconductores de unión mencionados anteriormente aunque
su construcción es más simple. Se fabrica una sección de semiconductor tipo n,
y se hace un conductor de punta aguda con un metal del grupo 3 de manera que
haga contacto con el semiconductor. Algo del metal migra hacia el semiconductor
para hacer una pequeña región de tipo p cerca del contacto. El muy usado 1N34
(de fabricación alemana) aún se usa en receptores de radio como un detector y
ocasionalmente en dispositivos analógicos especializados.
Diodo PIN: Un diodo PIN tiene una sección
central sin doparse o en otras palabras una capa intrínseca formando una
estructura p-intrínseca-n. Son usados como interruptores de alta frecuencia y
atenuadores. También son usados como detectores de radiación ionizante de gran
volumen y como fotodetectores. Los diodos PIN también se usan en la electrónica
de potencia y su capa central puede soportar altos voltajes. Además, la
estructura del PIN puede encontrarse en dispositivos semiconductores de
potencia, tales como IGBTs, MOSFETs de potencia y tiristores.
Diodo Schottky: El diodo Schottky están construidos
de un metal a un contacto de semiconductor. Tiene una tensión de ruptura mucho
menor que los diodos pn. Su tensión de ruptura en corrientes de 1mA está en el
rango de 0.15V a 0.45V, lo cual los hace útiles en aplicaciones de fijación y
prevención de saturación en un transistor. También se pueden usar como
rectificadores con bajas pérdidas aunque su corriente de fuga es mucho más alta
que la de otros diodos. Los diodos Schottky son portadores de carga
mayoritarios por lo que no sufren de problemas de almacenamiento de los
portadores de carga minoritarios que ralentizan la mayoría de los demás diodos
(por lo que este tipo de diodos tiene una recuperación inversa más rápida que
los diodos de unión pn. Tienden a tener una capacitancia de unión mucho más
baja que los diodos pn que funcionan como interruptores veloces y se usan para
circuitos de alta velocidad como fuentes conmutadas, mezclador de frecuencias y
detectores.
Stabistor: El stabistor (también llamado Diodo
de Referencia en Directa) es un tipo especial de diodo de silicio cuyas
características de tensión en directa son extremadamente estables. Estos
dispositivos están diseñados especialmente para aplicaciones de estabilización
en bajas tensiones donde se requiera mantener la tensión muy estable dentro de
un amplio rango de corriente y temperatura.
Diodo Varicap: El diodo Varicap conocido como diodo
de capacidad variable o varactor, es un diodo que aprovecha determinadas
técnicas constructivas para comportarse, ante variaciones de la tensión
aplicada, como un condensador variable. Polarizado en inversa, este dispositivo
electrónico presenta características que son de suma utilidad en circuitos
sintonizados (L-C), donde son necesarios los cambios de capacidad.
Saludos
Prof. Victor Becerra
) en
m, de su sección (
) en m²,
del tipo de material y de la 
),
viene dada por la expresión:
