Semiconductores

Semiconductores
Metales y semiconductores
La mayoría de los conductores sólidos de la electricidad pueden clasificarse o como metales o como semiconductores.
La corriente constituye una manifestación del movimiento de carga por el interior de un material, por lo cual será necesario
examinar el origen y comportamiento de la carga capaz de moverse a fin de comprender el proceso de conducción de un
material.
Metales: La mayoría de los metales son buenos conductores de la electricidad, ello es debido a que contienen
concentraciones grandes de electrones libres o móviles. Los electrones son móviles en el sentido de que no están
vinculados a los átomos del metal, sino que pueden moverse libremente por el volumen de éste.
Corrientemente cada átomo de metal contribuye con uno o dos electrones (electrones de valencia). Los demás electrones
permanecen ligados con los núcleos particulares.
Semiconductores: Los electrones de valencia de los átomos de un semiconductor (tal como el silicio o el germanio) no
pueden, en su mayor parte, moverse libremente por el interior de semiconductor. En vez de ello, participan en los enlaces
covalentes que mantienen unidos los átomos del semiconductor constituyendo una distribución cristalina periódica. Cada
átomo de cristal tiene cuatro vecinos más próximos con los que comparte sus electrones de valencia.
El núcleo como sabemos, es positivo y alrededor hay una serie de órbitas donde se encuentran los electrones.
El Silicio y el Germanio poseen 4 electrones en la órbita externa.
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Si representamos lo anterior en forma bidimensional ( modelo bidimensional de enlace) tenemos la siguiente figura:
De la figura se desprende:
1. Cada átomo esta rodeado de cuatro vecinos equidistantes.
2. Los electrones de valencia, en numero de cuatro por átomo, son compartidos por igual por los cuatro vecinos más
próximos. Con lo cual, cada enlace entre un átomo y uno de sus vecinos más próximos contiene dos electrones.
Cuando todos los electrones de valencia están constreñidos en enlaces covalentes, como en la figura anterior, no será
posible la conducción eléctrica por no haber portadores de carga que puedan moverse libremente, como consecuencia un
material que tenga esta configuración electrónica se comporta como aislador.
A temperatura superior a 0ºK algunos enlaces covalentes son incompletos. Los electrones que faltan ya no están
confinados a la región de enlace, sino que pueden moverse libremente, tal como puede verse en la figura siguiente:
Si lo representamos por medio de un gráfico con bandas de energía tenemos que:
A 0ºK todos los electrones están a los niveles de energía más bajo, a temperatura ambiente, algún electrón tiene
ocasionalmente la suficiente energía para escapar de la banda de valencia y pasar a la de conducción.
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Los pocos enlaces rotos que existen a temperatura ambiente se deben a la vibración térmica de los electrones de valencia.
La fracción del número total de electrones de valencia que se desprende de los enlaces covalentes es pequeñisima, por eso
se lo considera un material semiconductor.
Como consecuencia de los enlaces covalentes rotos, existe dos grupos distintos e independientes de portadores de carga.
Los electrones móviles que se originan cuando se escapa un electrón de la banda de valencia (carga negativa) y el otro es
el hueco que se origina en la banda de valencia (carga positiva).
Impurezas en los semiconductores
En el modelo visto anteriormente de semiconductor teníamos que las cantidades de huecos y electrones de conducción
están presentes en cantidades iguales. Cada uno de dichos portadores de carga es el resultado de la rotura de un enlace
covalente.
En un semiconductor los huecos y electrones no suelen estar en cantidades iguales; las concentraciones de ambos se ven
fuertemente afectadas por la presencia de impurezas que se agregan intencionalmente durante la fabricación.
Estas impurezas o contaminantes son de las dos clases siguientes:
Impurezas Donantes: son elementos que tienen 5 electrones de valencia. Ej. Fósforo, Arsénico y Antimonio.
El electrón sobrante, debido a que no tienen que completarse ningún enlace, queda débilmente unido al átomo de
impureza, a temperatura ambiente, este puede disociarse del átomo de impureza y se mueve por el semiconductor como un
electrón de conducción más. Es decir, el átomo de impureza se ioniza.
Las impurezas donantes dan lugar a un electrón de conducción sin aportar ningún hueco. No se rompen enlaces.
Cada átomo donante aumenta en uno la población de electrones libres.
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Como contienen una cantidad importante de átomos donantes el material se denomina Tipo n (carga negativa).
Impurezas Aceptoras: son elementos que tienen 3 electrones de valencia. Ej. Boro, Indio y Aluminio.
Estos átomos, igual que antes encajan en la estructura cristalina periódica del semiconductor anfitrión. Así pues, en la
estructura habrá una vacante, o sea un hueco asociado a cada átomo aceptor. Igual que antes este hueco está débilmente
unido al átomo aceptor y a temperaturas normales se mueve libremente por el semiconductor.
Las impurezas aceptoras aportan huecos al semiconductor sin aportar electrones. No se rompen enlaces.
Cada átomo aceptor aumenta en uno la población de huecos.
Como tienen una cantidad importante de átomos aceptores el material se llama tipo p (carga positiva).
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En resumen, los semiconductores, a diferencia de los metales, conducen la electricidad como consecuencia del movimiento
independiente de dos tipos de portadores de carga móviles cuyas cargas son de signo opuesto: huecos y electrones.
Estos portadores de carga pueden crearse en un semiconductor mediante tres procesos diferentes:
1) Una fracción muy pequeña del número total de enlaces covalentes se rompe a causa de la agitación térmica de los
electrones de la banda de valencia -> Se crean y desaparecen huecos y electrones de a pares.
Tiene la misma cantidad de huecos y electrones -> Semiconductor Intrínseco.
2) Por impurezas donantes. Aporta electrones -> Tipo n.
3) Por impurezas aceptoras. Aporta huecos -> Tipo p.
Como en los dos últimos casos hay una cantidad importante de impurezas el material se denomina Semiconductor
Extrínseco.
El portador que tenga mayor concentración de impurezas se llama mayoritario y el de menor minoritario.
Diodo de unión
La mayoría de los dispositivos activos semiconductores tienen una o más uniones de materiales tipo p y tipo n, llamadas
comúnmente juntura pn.
En la juntura o unión hay un cambio brusco del material tipo p al tipo n, con lo cual en las proximidades del plano de
unión habrá gradientes de concentraciones de huecos y electrones. Estos gradientes están orientados de manera que los
huecos tiendan a difundirse en la región tipo n y los electrones en la región tipo p. No obstante, en el equilibrio, los huecos
y electrones no circulan de manera estacionaria a través de la unión, porque en las proximidades del plano de unión hay
una diferencia de potencial o barrera de potencial.
Esta barrera tiene un campo eléctrico asociado que va de la región de tipo n a la región de tipo p, por lo tanto se opone a
las tendencias difusoras asociadas a los gradientes de concentración y evita (en el equilibrio) la circulación tanto de huecos
como de electrones.
Esta barrera surge del desequilibrio de cargas originados por la circulación por difusión de los portadores a través del plano
de unión, con lo cual hay una zona de carga positiva en el lado n y una zona de carga espacial negativa en el lado p.
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El desequilibrio de cargas resultantes debe ir acompañado de una diferencia de potencial o barrera de potencial la que
anula la circulación total de carga cuando se alcanza el equilibrio.
Así pues, la difusión de portadores mayoritarios a través de la unión desde el lado en que son mayoritarios a las que son
minoritarios es un proceso que se autolimita.
Aplicación de tensión entre los terminales
Polarización directa
Polarización inversa
Símbolo del diodo de unión
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Aplicaciones
Rectificador de media onda
Rectificador de onda completa
Rectificador onda completa con puente de diodos
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Diodos de disrupción
Habíamos visto que la corriente inversa de un diodo es débil e independiente de la tensión inversa, en realidad esta
condición no se cumple cuando la tensión inversa se haga suficientemente elevada. Todos los diodos presentan una región
de comportamiento en sentido inverso en la cual puede circular corrientes inversas internas si la tensión inversa supera un
valor llamado tensión de disrupción inversa.
Esta tensión puede variar desde unos pocos volts hasta centenares de volts.
Hay dos mecanismos para producir procesos de disrupción:
1) Multiplicación por alud o avalancha.
2) Disrupción Zener.
Aplicaciones
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Transistor
El Transistor básico de unión consta de dos uniones pn yuxtapuestas.
En concepto, el transistor es un dispositivo que actúa como amplificador de corriente, pero también se puede utilizar como
un interruptor.
Cuando se utiliza un transistor como válvula de gobierno, la unión emisora (base-emisor) se polariza en directa y la unión
colectora (base- colector) en inversa.
La unión emisora se fabrica con la región de emisor mucho más contaminada que la región de base, con lo cual
predominan los portadores mayoritarios (huecos en este caso) de la región de emisor en la capa de carga espacial de la
juntura emisor-base. Otra característica es que la región de base se fabrica muy delgada.
Funcionamiento: la batería VEE polariza en sentido directo la unión base- emisor (pn), haciendo que el emisor inyecte
huecos a la base (material tipo n). La mayor parte de los huecos, debido al poco espesor de la base y la baja
recombinación, alcanzan la segunda unión hasta la región p de la derecha (colector) polarizada negativamente. Una
pequeña cantidad de estos huecos (aprox. 1%) es capturada por el material tipo n (base). Los electrones de material tipo n
se desplazan hacia el emisor tal como se muestra en la figura anterior. Para alimentar la recombinación que tiene lugar en
la base y para mantener la inyección en el emisor de portadores mayoritarios de la región de base será necesaria una
corriente de base (débil frente a la corriente de emisor y colector). Su intensidad es pequeña porque la base es delgada y el
emisor está mucho más contaminado, lo que reduce al mínimo la inyección inversa.
Mientras que la unión base-emisor representa un diodo polarizado en directa (lo que implica baja impedancia y baja caída
de potencial), la unión base-colector representa un diodo polarizado en inversa (la impedancia colector-base es muy
elevada).
La corriente que circula por el camino emisor-colector (normal a las uniones) está regida por la VBE y es independiente de
la tensión en la unión colectora.
La corriente de emisor depende exponencialmente de la VBE y no depende de la tensión de la unión colectora por la
misma razón que un diodo polarizado en inversa, lo cual implica que la intensidad de corriente no depende de la tensión
inversa.
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I C =α I E
α <1
I E = I B + IC = I B +α I E
I B = I E (1 − α ) = I C
IC =
α
= β IB
1−α
(1 − α
)
α
β=
α
1− α
Siendo β la ganancia de corriente.
Se logra ganancia de potencia porque la tensión base-emisor y la intensidad de base son muy pequeñas.
El transistor se denomina Bipolar porque depende de la existencia de dos tipos de portadores: mayoritarios y minoritarios.
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El Transistor como Interruptor
El voltaje de entrada Vin determina cuando el transistor que actúa como interruptor se encuentra abierto (impidiendo el
flujo de corriente) o cerrado (permitiendo el flujo de corriente).
Si Vin bajo => no hay flujo de corriente por la unión VBE , con una corriente de base nula, no hay corriente de colector y
por lo tanto no circulará corriente por la carga. Bajo esta condición el transistor opera como un interruptor abierto en serie
con la carga, se dice que trabaja al CORTE.
Para que el transistor trabaje al corte debe ser Vin < 0.6 Volt en el Silicio.
Para dar corriente a la carga el transistor debe trabajar como interruptor cerrado. Esto se consigue llevando Vin a un valor
suficientemente alto para llevar el transistor a la saturación.
La condición de saturación es aquella en la cual la corriente de colector es suficientemente grande para que el voltaje
VCC aparezca en los terminales de la resistencia de carga (Rc).
IC ( sat ) =
Con lo cual
VCC
IC ( sat ) VCC
⇒ IB ( sat ) =
=
RC
β
β RC
Vin = IB( sat ) . RB + VBE = IB( sat ) . RB + 0.6Volt
Si el voltaje de base es mayor o igual al anterior, el transistor opera como un interruptor cerrado.
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TIRISTOR
El tiristor es un rectificador de Si controlado, se diferencia con un rectificador normal en que se puede impedir la
circulación de corriente en cualquier dirección.
En la dirección de la corriente puede volverse conductor mediante un impulso sobre un electrodo de gobierno.
Cuando la corriente que recorre un tiristor desciende por debajo de un determinado valor mínimo, el propio tiristor retoma
el estado de no-conducción.
En el tiristor la caída de tensión en la dirección de la corriente de conducción es de aprox. 1V.
Funcionamiento del tiristor
El tiristor posee dos capas tipo p y dos capas tipo n dispuestas del modo que indica la figura:
Esta disposición de las capas hace que se tengan tres electrodos: el ánodo A, el cátodo K y el electrodo de control St.
Si se aplica una tensión continua al tiristor en el sentido de la conducción (polo positivo al ánodo), la tensión encuentra una
barrera en la unión S2. Si se invierte la polaridad, la tensión queda bloqueada en las uniones S1 y S3.
El tiristor puede considerarse como la combinación de un transistor pnp con otro npn, conectados de manera tal que
coincida la base del pnp con el colector del npn.
Si se indica α 1 como el factor de amplificación de corriente del transistor pnp y α 2 como la del npn, y se aplica entre A y
K con St abierto una débil tensión positiva, el tiristor es recorrido por una pequeñisima corriente I, que puede considerarse
constituida por tres componentes:
• La corriente residual Io que atraviesa la unión S2
• La corriente de colector I .α 1 del pnp.
• La corriente de colector I .α 2 del npn.
Con lo cual podemos escribir:
I = I 0 + I .α 1 + I .α 2 ⇒ I =
I0
1 − (α 1 + α 2 )
α 1 y α 2 < 0.5
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Disparo del tiristor
U NK (tensión de basculamiento)
Al aumentar la tensión aplicada, aumenta la corriente I . Al aumentar I aumenta α 1 y α 2 tendiendo a 1, lo que
hace que I tienda a ∞ (limitada sólo por RA) y de esta manera el tiristor conduce.
2) Encendido mediante la corriente de disparo I St enviada mediante el electrodo de control.
1) Superación de la corriente
La corriente que atraviesa la unión pn gobierna la unión común S3.
Al aumentar la corriente aumenta α 1 y α 2 tendiendo a 1, lo que hace que I tienda a
esta manera el tiristor conduce.
3) Disparo como consecuencia de una excesiva velocidad de aumento de la tensión U AK
En este caso entran en juego las características capacitivas de la unión.
I AK = C.U AK .
∞ (limitada sólo por RA) y de
(dU AK / dt ) .
dU AK
dt
Una vez que el tiristor es disparado, no se puede detener por medio del electrodo de gobierno, la unica manera de lograrlo
es interrumpiendo la corriente al circuito de carga, o sea, aumentando la resistencia hasta que la corriente descienda por
debajo del valor de mantenimiento I H .
Aplicaciones
El valor promedio que fluye por la carga puede controlarse colocando un tiristor (SCR)en serie con la carga.
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Si la fuente de alimentación es AC, el SCR permanece una cierta porción del periodo en el estado de CONDUCCION y el
resto del periodo en estado BLOQUEADO.
La cantidad de tiempo que permanece en cada estado se controla por medio del electrodo de control. De esta manera, la
corriente por la carga puede variarse ajustando la magnitud de la porción del periodo en el cual el SCR está en conducción.
Como su nombre lo sugiere, el SCR es un rectificador, de modo que solamente permite el paso de corriente durante el
semiciclo positivo de la fuente AC. Se entiende este semiciclo como aquel en que le ánodo es más positivo que el cátodo.
En la figura anterior, el SCR sólo conduce medio ciclo.
Forma de onda en los SCR
Los términos más popularmente utilizados para describir como está operando un SCR son, ángulo de disparo y ángulo de
conducción.
El ángulo de conducción es el número de grados de un ciclo AC durante los cuales el SCR está en conducción.
El ángulo de disparo es el número de grados de un ciclo AC que transcurren antes que el SCR pase a estado de
conducción.
Circuitos típicos de Control de Puerta
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Cuando se cierra SW si R2 está fijada en un valor bajo, la corriente es grande para cebar el SCR cuando la magnitud de la
fuente de voltaje sea baja, lo que implica que el ángulo de disparo es pequeño; en cambio, si R2 está fijado en un valor
alto, la corriente para poder cebar el SCR se obtiene con un valor mayor de la fuente de voltaje, por lo tanto el ángulo de
conducción es mayor.
Retardo usando capacitores
Fuente Controlada
TRIAC
El comportamiento del TRIACS es similar al del tiristor, con la excepcion que puede conducir en cualquiera de las dos
direcciones.
Un TRIAC es un dispositivo de tres terminales utilizado para controlar el valor promedio de la corriente que fluye por una
carga conectada en serie.
Simbolo del TRIAC
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Forma de onda
Ventajas con respecto a sistemas electromecánicos
No tienen rebote de contacto.
No se producen arcos en contactos parcialmente abiertos.
Son muy veloces, con lo cual permiten un control de corriente muy preciso.
Elevada vida util.
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