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Materiales de Ingeniería
Electrónica
Los Semi-Conductores
Prof.: Carlos Héctor Cruz Vergara
Objetivo de la Clase
- Estudiar los materiales semiconductores
Tipo p y Tipo n.
¿Que es la Corriente Eléctrica?
- Video: https://youtu.be/fkIoIO0AidU
Lista de Términos
- Materiales Conductores
- Materiales Aislantes
- Electrones libres
la Conductividad Eléctrica es la capacidad de un material para
conducir la corriente eléctrica. Es una característica física del
material que depende de sus Electrones Libres.
Materiales: Conductividad
Aislantes: NO conducen la corriente eléctrica.
Semiconductores: Se comportan como Aislantes y/o Conductores.
Conductores: Conducen la corriente eléctrica.
Materiales Semiconductores
Mono-Cristalinos*
Silicio (Si) Germanio (Ge)
Poli-Cristalinos**
Arseniuro de galio (GaAs)
Sulfuro de cadmio (CdS)
Nitruro de galio (GaN)
Fosfuro de galio y arsénico (GaAsP)
∗∗ ∗∗ Mono-cristalinos: Se componen de un solo tipo Elemento semiconductor. ∗∗∗∗ ∗∗∗∗ Poli-cristalinos: Se componen de dos o más tipos Elementos semiconductores.
FÍSICA Y QUÍMICA
Conceptos básicos:
Un Átomo tiene igual número de Protones (Np) y Electrones
(Ne). Sin embargo, en ciertas condiciones los átomos pueden
ganar o perder electrones.
Estado neutro = Estado de equilibrio del átomo
Si: Np = Ne => Átomo sin carga Neutro
Si: Np > Ne => Átomo con carga + Catión
Si: Np < Ne => Átomo con carga - Anión
Modelo Planetario del Átomo: En 1913 Niels Bohr propuso que
los electrones de un átomo giran en órbitas circulares
concéntricas alrededor del núcleo.
Los Protones NO se mueven, están fijos en el núcleo =>
El movimiento de cargas depende de los electrones
- Núcleo:
- Protones: Carga positiva*
- Neutrones: Sin Carga
- Corteza:
- Electrones: Carga negativa* ∗ Carga del Protón = Carga del Electrón = 1.6∗ 10 -19^ C
Ejercicio: ¿Qué se debe hacer para
cargar una esfera de cobre con 0.25 C?
Un Elemento Químico es un tipo de
materia constituida por Átomos de la
misma clase.
En la naturaleza sólo existen 118 clases de Átomos.
(Tabla Periódica de los Elementos)
Dos átomos se diferencian en su cantidad de
Protones.
El Número Atómico (Z) de un Elemento
Químico es la cantidad de protones que
tiene su átomo.
Z: ADN del Elemento Químico
Número
Atómico
Elemento
Químico
Ejemplo: En un cristal de Si o Ge Intrínsecos*, los cuatro electrones
de valencia de cada átomo forman Enlaces Covalentes con
electrones de átomos adyacentes.
El cristal se comporta como un Aislante
Los enlaces covalentes son muy fuertes, amarran los electrones de valencia a sus átomos
∗ Intrínsecos: Puros, que NO contiene impurezas.
Las características eléctricas de un cristal semiconductor
intrínseco se pueden modificar de manera significativa
con la adición de átomos de impurezas.
Sólo se requiere agregar un átomo de impureza por cada
106 átomos de Si o Ge.
El material semiconductor que ha sido sometido al proceso
de dopado se conoce como material Extrínseco.
La adición de átomos de impurezas se llama Dopado.
Ejemplo 1: El Semiconductor Tipo n se crea introduciendo átomos
de impurezas con cinco electrones de valencia (Pentavalentes). Ej.:
Antimonio (Sb), Arsénico (As) y Fósforo (P).
Protones = # Electrónes => Cristal Neutro
El quinto electrón queda libre
El cristal se comporta como un Conductor
Se llama Semiconductor Tipo n, porque los portadores de carga son los electrones libres
Ejemplo 2: El Semiconductor Tipo p se crea introduciendo átomos
de impurezas con tres electrones de valencia (Trivalentes). Ej.:
Boro (B), Aluminio (Al), Galio (Ga) e Indio (In).
Protones = # Electrónes => Cristal Neutro
El hueco recibe con facilidad un electrón
El cristal se comporta como un conductor
Se llama Semiconductor Tipo p, porque los portadores de carga son los huecos (Vacío)
Los Electrones pueden ganar suficiente energía cinética para
romper su enlace covalente y llenar el vacío creado por un Hueco.
Balance de Carga: Un electrón (Carga -) que se desplaza a la derecha, equivale una Carga + que se desplaza a la izquierda
Los huecos se representa como Cargas +
Entonces: El Electrón se desplaza en una dirección => El Hueco se desplaza al contrario
Video: Los Semiconductores
Temas :
- Estructura Atómica.
- Semiconductores Intrínsecos y Extrínsecos
- Impurezas Pentavalentes y Trivalentes
- Enlace: https://youtu.be/cy50YR7kr8c
LA UNIÓN PN
Una Revolución de la Electrónica:
Al unir semiconductores extrínsecos Tipo p y Tipo n,
llamada Unión pn, se presentan dos fenómenos físicos
que revolucionaron la electrónica.
Los portadores de carga del semiconductor Tipo p son los Huecos (Carga +).
Los portadores de carga del semiconductor Tipo n son los Electrones (Carga -).
Los semiconductores Tipo p y Tipo n son eléctricamente neutros
Primero: Algunos Electrones Libres del semiconductor
Tipo n se difunden a través de la unión y se recombinan
con los huecos del semiconductor Tipo p.
¡Esto es una separación de carga!
Por cada electrón que Cae/Recombina en un hueco se producen dos iones: uno negativo (Anión) y otro positivo (Catión).
¡Esto se llama dipolo!
¿Porqué NO se recombinan todos los
electrones libres del semiconductor Tipo n
con los huecos de semiconductor Tipo p?
Segundo: Entre los Aniones y Cationes, se forma un
Campo Eléctrico (ET) que impide que todos los
electrones libres del semiconductor Tipo n se
recombinen con los huecos del semiconductor Tipo p.
En la Práctica
Por excitación térmica se liberan electrones*
en la zona de deplexión. Esto origina una baja
corriente de fuga inversa (Is) del orden de
microamperios.
∗ Cuando se libera un Electrón deja un Hueco, esto Electrón deja un Hueco, esto
se llama Par Electrón - Hueco
POLARIZADA DIRECTAMENTE
La Unión pn
Para Polarizar Directamente la unión pn, el
Terminal Positivo/Negativo de una fuente
externa se debe conectar al Material Tipo p/n.
La polarización externa (VF) crea un Campo
Eléctrico (EF) opuesto al Campo Eléctrico (ET).
¿Qué efecto tiene EF sobre los Huecos/ Electrones
Libres del semiconductor Tipo p/n?
Respuesta: Los Huecos del Material Tipo p se desplazan
en la dirección de EF y los Electrones Libres de Material
Tipo n se desplazan en dirección contraria de EF.
Esto reduce la zona de deplexión. Si VF > VT se produce
un flujo de corriente eléctrica a través de la unión pn.
Conclusión
La Unión pn Polarizada Directamente permite
la circulación de corriente eléctrica, siempre
que el potencial de polarización (VF) sea mayor
que el de barrera (VT).
Idealmente se comporta
como un Interruptor Cerrado
