Teoría de los semiconductores

Teoría de los
semiconductores
Introducción
Los materiales semiconductores han ocasionado la mayor revolución en
el mundo de la electrónica, pues su comportamiento eléctrico permite el
funcionamiento de componentes como diodos, transistores y circuitos
integrados, denominados componentes de estado sólido, que en la actualidad
forman parte de la mayoría de los dispositivos electrónicos.
En esta unidad se presenta un análisis conceptual básico de los materiales
semiconductores, sin profundizar en la teoría física electrónica que explica las
relaciones a nivel atómico. También se aborda el estudio de los componentes
electrónicos elementales construidos a partir de materiales semiconductores: el
diodo y el transistor de unión.
Conductores, aislantes y semiconductores
La estructura del átomo consiste
en un núcleo (que contiene los
protones y neutrones) y en una
nube de electrones que se
encuentran girando en distintas
órbitas alrededor del núcleo.
Como hemos visto al tratar la estructura del átomo, los electrones se
encuentran girando alrededor del núcleo, en órbitas que se ubican a
determinadas distancias del núcleo según sus niveles de energía.
Configuración electrónica
Un átomo en estado neutro posee un número de electrones igual a la
cantidad de protones contenidos en su núcleo. Se denomina configuración
electrónica de un átomo a la forma en que se distribuyen los electrones en las
distintas órbitas.
Cada órbita puede albergar un número máximo de electrones. La primera
órbita (la más cercana al núcleo) es la órbita de menor energía y es la primera en
ser ocupada por los electrones. Cuando la primera órbita esta completa, los
electrones restantes ocupan la segunda órbita hasta completarla, y así
sucesivamente hasta ubicar todos los electrones del átomo.
La cantidad máxima de electrones que una órbita puede albergar depende
del número de órbita. Las órbitas internas completan hasta 2n2 electrones, donde
n es el número de órbita, pero la última órbita puede albergar solamente hasta 8
electrones. Así, tenemos que:
En la primera órbita (n = 1) caben 2.12 = 2 electrones.
En la segunda órbita (n = 2) caben 2.22 = 8 electrones.
En la tercera órbita (n = 3) caben 2.32 = 18 electrones.
En la cuarta órbita (n = 4) caben 2.42 = 32 electrones.
En la última órbita caben hasta 8 electrones.
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Órbita de valencia y electrones de valencia
La regla del octeto, enunciada
por Gilbert N. Lewis, indica que
los elementos químicos tienen
tendencia a completar su última
órbita con ocho electrones, para
adquirir una configuración
electrónica estable.
La órbita más externa de un átomo se denomina órbita de valencia y los
electrones que ocupan esta órbita se denominan electrones de valencia. La
importancia de la órbita de valencia radica en que todos los átomos tratan de
completar esta órbita con ocho electrones, por tratarse de la configuración
electrónica más estable.
Denominamos parte interna del átomo al grupo formado por el núcleo y
las órbitas interiores y para enfocarnos en la órbita de valencia al analizar una
configuración electrónica, representaremos en forma conjunta la parte interna
del átomo y en forma aislada la órbita de valencia, como se muestra en la Figura
2.1b.
La cantidad y configuración de los electrones de valencia determinan las
propiedades del material, pues los átomos tendrán tendencia a ceder, adquirir o
compartir electrones para tener su órbita de valencia completa.
Nos interesan las propiedades eléctricas, entre las cuales figura la
resistividad. En base a la resistividad, clasificamos a los materiales en tres
grupos:
Conductores: Un material es conductor cuando presenta una resistividad
baja, porque cede los electrones de valencia con mayor facilidad que otros
materiales, permitiendo la circulación de corriente eléctrica. Son buenos
conductores los metales y sus aleaciones.
Los buenos conductores tienen 1
electrón de valencia, los
semiconductores 4 electrones de
valencia y los buenos aislantes 8
electrones de valencia.
Aislantes: Los materiales aislantes son aquellos cuyos átomos tienen los
electrones fuertemente ligados a sus núcleos y por ende no dispone de
“cargas libres” para formar un flujo de corriente eléctrica con tanta facilidad
como los conductores, es decir, presentan una resistividad alta. Como
ejemplos de materiales aislantes podemos citar al plástico, el vidrio, la mica
y materiales cerámicos.
Semiconductores: Los materiales semiconductores se comportan como
conductores o como aislantes de acuerdo a su temperatura. A bajas
temperaturas, los semiconductores se comportan como aislantes y a medida
que aumenta la temperatura, se comportan como conductores. Los
elementos semiconductores más utilizados en la fabricación de
componentes electrónicos de estado sólido son el silicio (Si) y el germanio
(Ge).
Estructura atómica de materiales conductores
El cobre es el material conductor
de mayor uso en circuitos
eléctricos por su baja
resistividad, por sus
características mecánicas y por
ser de menor costo que otros
buenos conductores (aluminio,
plata y oro).
Existen distintos tipos de materiales conductores, los que pueden ser
clasificados en metálicos, electrolíticos o gaseosos. De estos tipos, sólo
trataremos los conductores metálicos.
Lo que define a un material como un buen conductor es el hecho de tener
pocos electrones en la órbita de valencia (de 1 a 3 electrones). La razón de esto
es que los electrones de valencia se encuentran ligados al núcleo con una fuerza
más débil, por encontrarse en la última órbita y al ser pocos, es más fácil que
abandonen el núcleo, proveyendo al material de portadores de carga libres que
permitirán el flujo de la corriente eléctrica.
Analizaremos el comportamiento eléctrico de un conductor metálico,
tomando como ejemplo el cobre. El número atómico del cobre es 29. Esto
significa que en el núcleo hay 29 protones y alrededor de él hay un total de 29
electrones girando en diferentes órbitas.
El átomo de cobre presenta una configuración electrónica en la cual los
electrones ocupan completamente las tres primeras órbitas y la cuarta órbita
sólo tiene 1 electrón, como se muestra en la Figura 2.1a. Aunque en la cuarta
29
órbita caben 32 electrones, las órbitas interiores albergan 28 electrones, por tal
razón sólo queda 1 electrón en la órbita exterior (órbita de valencia).
Figura 2.1 Configuración electrónica del átomo de cobre.
En la Figura 2.1b se muestra la parte interna y la órbita de valencia del
átomo de cobre. En la parte interna se agrupa el conjunto formado por el núcleo
y las tres órbitas interiores. Como el átomo de cobre posee 29 protones en el
núcleo y 28 electrones en las tres primeras órbitas, la parte interna del átomo de
cobre tiene una carga neta de +1e.
Electrones libres en un conductor
Debido a que la órbita de valencia es la más alejada del núcleo, la fuerza
de atracción entre un electrón de valencia y el núcleo es más débil. Por esta
razón, y bajo ciertas condiciones, un electrón de valencia puede romper
fácilmente su vínculo con el núcleo. En ese caso nos referiremos a ese electrón
de valencia como electrón libre, dado que luego de romper su vínculo con el
núcleo, éste electrón puede desplazarse hacia otro átomo para formar un nuevo
vínculo. En los conductores metálicos, la energía térmica debido a la
temperatura ambiente aporta suficiente energía como para producir electrones
libres.
Movimiento de electrones libres en un conductor
Consideremos una barra de cobre de forma cilíndrica, con una longitud L
y sección transversal S, a temperatura ambiente. En la estructura molecular de la
barra los átomos se encuentran ocupando posiciones fijas, pero cuando los
electrones de valencia absorben la energía térmica, se convierten en electrones
libres que van desplazándose de un átomo a otro en forma sucesiva.
Este desplazamiento de cargas, sin embargo, no constituye una corriente
eléctrica, ya que los electrones libres describen desplazamientos aleatorios. Si
tomamos un átomo cualquiera de la barra de cobre, éste será un átomo con un
solo electrón girando en su órbita de valencia. Cuando el electrón de valencia se
convierte en electrón libre, puede pasar a la órbita de valencia de cualquiera de
los átomos vecinos que lo rodean, es decir que el movimiento de los electrones
libres es al azar.
La Figura 2.2 representa el desplazamiento aleatorio de algunos
electrones libres. Como esta situación se produce en los millones de átomos que
existen a lo largo de toda la estructura de la barra conductora, (1 gr de cobre
contiene 9,48 x 1021 átomos), podemos afirmar que existen electrones
desplazándose en un sentido determinado, pero simultáneamente existen
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electrones libres cuyos desplazamientos se realizan en el sentido opuesto. Esto
significa que si tomamos como referencia una sección transversal cualquiera de
la barra conductora y contabilizamos durante un intervalo de tiempo la cantidad
de electrones libres que atraviesan la sección, observaremos que el número de
electrones que cruzan de izquierda a derecha será similar al número de
electrones que cruzan la sección de derecha a izquierda y en promedio, sus
efectos se compensarán. Es decir, no existe un flujo neto de carga eléctrica en
un sentido y por lo tanto la corriente eléctrica es nula.
Figura 2.2 Movimiento aleatorio de
electrones libres en un conductor.
Si conectamos los bornes de una fuente de alimentación a los extremos de
la barra de cobre, se establecerá un campo eléctrico en el interior de la barra. En
la Figura 2.3 se muestra la conexión realizada y el campo eléctrico que se
establece.
Figura 2.3 Movimiento de
electrones libres debido a un
campo eléctrico. Corriente
electrónica y corriente
convencional.
Cuando se establece el campo eléctrico E en el interior de la barra
conductora, los electrones libres ya no se mueven al azar en cualquier dirección,
sino que se desplazan según la dirección definida por el campo eléctrico y por
tratarse de cargas negativas, son “empujados” en sentido contrario al del campo
eléctrico. Si tomamos una sección transversal cualquiera de la barra y
contabilizamos la cantidad de electrones que la atraviesan por unidad de tiempo,
habrá una cantidad de carga eléctrica neta que cruza la sección transversal en
sentido opuesto al del campo eléctrico, o sea, existe una corriente eléctrica.
Esta circulación de corriente debida a la presencia del campo eléctrico se
produce con una cierta oposición al flujo de electrones que tienen que atravesar
la estructura de la barra conductora. La resistencia que opone la barra de cobre
al paso de la corriente la podemos calcular con la expresión:
R= ρ⋅
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L
S
(1 - 1)
Sentido convencional de corriente eléctrica
Debido a que toda cantidad de
carga eléctrica medida es
múltiplo de la carga elemental,
atribuir esa cantidad de carga
eléctrica a cargas negativas o
positivas solamente implica un
cambio de signo.
Aunque es claro que la corriente eléctrica en la barra conductora se
produce por el movimiento de cargas negativas (electrones), el sentido
convencional de la corriente eléctrica se basa en suponer que la corriente es un
flujo de cargas positivas. Bajo esta suposición, el campo eléctrico E provocaría
un desplazamiento de cargas positivas en el mismo sentido del campo, es decir,
el flujo de cargas positivas sería de igual magnitud, pero en sentido opuesto al
flujo de los electrones libres. A los fines prácticos esto representa únicamente
un cambio de signo. En la Figura 2.3 se muestra el sentido de la corriente de
electrones y el sentido convencional de corriente. En el análisis de circuitos
eléctricos es común adoptar el sentido convencional de corriente eléctrica y
asignarle signo positivo.
Estructura atómica de materiales semiconductores
Los semiconductores tienen valencia 4, es decir, poseen cuatro electrones
en la órbita de valencia. Estos elementos tienen tendencia a compartir sus
electrones de valencia para completar su última órbita.
Los elementos semiconductores, se comportan como aislantes a bajas
temperaturas, pero a medida que la temperatura se eleva, su comportamiento se
asemeja al de un material conductor.
El elemento semiconductor de mayor uso en electrónica es el silicio (Si),
y en menor medida, el germanio (Ge). La Figura 2.4 muestra la configuración
electrónica de estos elementos.
Figura 2.4 Configuración electrónica de los átomos de silicio y de germanio.
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Como se muestra en la Figura 2.4, tanto el átomo de germanio como el de
silicio presentan cuatro electrones de valencia. Analizaremos como ejemplo de
materiales semiconductores el comportamiento del silicio.
La combinación de los átomos de silicio al constituir un sólido se produce
formando una estructura ordenada llamada cristal. Esto se debe a que los
átomos de silicio se combinan formando enlaces covalentes, que son uniones
que se producen compartiendo electrones entre átomos adyacentes. Los enlaces
covalentes crean un equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los átomos de
silicio, como se muestra en la Figura 2.5.
Figura 2.5 Representación de la estructura del
cristal de silicio. Los átomos adyacentes completan
su órbita de valencia compartiendo electrones
mediante enlaces covalentes.
A bajas temperaturas cada átomo de silicio comparte sus cuatro
electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal manera que completa los
ocho electrones en su órbita de valencia, como se ve en la Figura 2.5. Los
enlaces covalentes son de una gran solidez porque cada átomo queda con su
órbita de valencia completa, aunque sea con electrones compartidos.
Electrones libres y huecos en un semiconductor puro
El aumento de la temperatura hace que los átomos en un cristal de silicio
vibren dentro de él. A mayor temperatura, un electrón de valencia puede recibir
la energía suficiente para ser liberado de su órbita, es decir que el enlace
covalente se “rompe” y el electrón libre abandona el enlace, dejándolo
incompleto. Para simbolizar la ausencia del electrón, decimos que al abandonar
la órbita de valencia el electrón libre genera un hueco.
El hueco es un portador de carga eléctrica positiva ficticio. Este concepto
nos permitirá simplificar la descripción de la corriente eléctrica debida a los
electrones libres que provienen de enlaces covalentes rotos, diferenciándolos así
de los electrones libres pertenecientes a una nube electrónica (como en el caso
de un material conductor).
Cuando en un semiconductor puro se producen electrones libres por
agitación térmica, existen huecos y electrones libres en cantidades iguales,
porque cada electrón que abandona un enlace covalente deja detrás de sí un
hueco. Este hueco, a su vez, atraerá otro electrón libre para reconstruir el enlace
covalente. Esta unión de un electrón libre y un hueco se llama recombinación,
y supone la “desaparición” simultánea de un electrón libre y un hueco.
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Figura 2.6 Ante el aumento de temperatura del
cristal de silicio, la energía térmica produce la
liberación de electrones. Cada electrón que
abandona la órbita de valencia deja un “hueco” en
el enlace covalente.
Movimiento de electrones
semiconductor puro
libres y
huecos
en
un
Consideremos una barra de silicio de forma cilíndrica a temperatura
ambiente. La barra presenta una estructura de cristal, en la cual los átomos de
silicio se encuentran ocupando posiciones fijas en forma ordenada. La energía
térmica que aporta la temperatura ambiente puede romper algunos enlaces
covalentes y producir pares de electrones libres y huecos.
Las recombinaciones de pares electrón-hueco se producen en la órbita de
valencia de cualquier átomo que presente un hueco y en cuyas cercanías se
ubique un electrón libre, es decir que el movimiento de los electrones libres es
al azar. Sin embargo, al igual que en el caso del movimiento de electrones libres
en un conductor, el movimiento aleatorio de cargas a lo largo de la barra
semiconductora no produce una corriente eléctrica neta.
Si aplicamos una diferencia de tensión eléctrica a los extremos de la barra
de silicio mediante una fuente de alimentación, se establecerá un campo
eléctrico en el interior de la barra. En la Figura 2.7 se muestra la conexión
realizada y el campo eléctrico que se establece.
El campo eléctrico E en el interior de la barra conductora modifica el
movimiento aleatorio de los electrones libres, dado que impone una fuerza sobre
las cargas eléctricas en la dirección del campo. Tratándose de cargas negativas,
los electrones libres son “empujados” en sentido contrario al del campo
eléctrico. En estas condiciones, existe una corriente eléctrica que circula en
sentido opuesto al del campo eléctrico.
En la Figura 2.7 se ve que los electrones libres se mueven hacia la
izquierda ocupando el lugar de un hueco. Si bien los huecos no se desplazan
físicamente, el desplazamiento sucesivo de electrones en un sentido, produce un
efecto de huecos que “se mueven” en sentido contrario. Esto implica que la
corriente eléctrica se debe al flujo de electrones y huecos.
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Figura 2.7 Aplicación de una
diferencia de tensión entre los
extremos de una barra de
material semiconductor.
Desplazamiento aparente de
huecos por recombinación con
electrones libres.
La intensidad de corriente eléctrica depende de la cantidad de electrones
libres y huecos generados por absorción de energía térmica. Como la energía
térmica a temperatura ambiente produce pocos electrones libres y huecos, la
intensidad de corriente eléctrica será baja, es decir que la barra presenta una
resistividad alta y se comporta como aislante. Al aumentar la temperatura se
liberan más electrones y se producen más huecos, por lo que la misma
diferencia de potencial producirá una intensidad de corriente eléctrica mayor, o
sea que el semiconductor presentará una resistividad menor. En resumen, el
semiconductor puro se comporta como aislante a bajas temperaturas y como
conductor a medida que aumenta la temperatura.
Semiconductores intrínsecos
Un semiconductor intrínseco es un semiconductor puro. Como hemos
visto, a temperatura ambiente este material se comporta como un aislante
porque sólo tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la energía
térmica y es necesario aumentar la temperatura para que el material se comporte
como conductor.
Semiconductores extrínsecos
Para aumentar la conductividad de un semiconductor intrínseco sin
recurrir al aumento de temperatura, se realiza un proceso de dopado, que
consiste en añadir impurezas al material. Estas impurezas son átomos de otro
elemento que pasan a formar parte de la estructura del cristal semiconductor y
modifican sus propiedades eléctricas, como veremos a continuación. Al
semiconductor dopado se le llama semiconductor extrínseco.
Dopado con elementos de pentavalentes
Elementos pentavalentes
utilizados en el dopado de
semiconductores: arsénico,
antimonio, fósforo.
Los átomos pentavalentes tienen cinco electrones de valencia, es decir un
electrón de valencia más que el átomo de silicio. Así, al formarse los enlaces
covalentes, el átomo pentavalente tiene un electrón sobrante, es decir que
“libera” un electrón luego de completar su órbita de valencia con ocho
electrones. Por esta razón, al átomo pentavalente se le denomina átomo donador
(Figura 2.8)
Entonces, por cada átomo pentavalente agregado como impureza, habrá
un electrón libre Si se colocan como impurezas, por ejemplo, 100 átomos
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pentavalentes, el semiconductor dopado tendrá 100 electrones más que el
material puro. Los electrones libres aportados por el material donador se suman
a los electrones libres que se produzcan por generación térmica.
Figura 2.8 Dopado de un cristal de silicio con
átomos pentavalentes. Cada átomo pentavalente
aporta un electrón libre al cristal semiconductor.
Figura 2.9 Representación de
un átomo pentavalente utilizado
como impureza en el dopado.
Cuando el electrón que sobra luego de formarse los enlaces covalentes
abandona la órbita de valencia, el átomo pentavalente se convierte en un ión
positivo, dado que al quedar con un electrón menos el átomo queda cargado
positivamente. Una representación sencilla del átomo pentavalente consiste en
utilizar un círculo con el signo “+” (para indicar que al liberarse el electrón
queda un ión positivo) y un círculo relleno pequeño agregado al lado para
simbolizar el electrón sobrante. Así, la estructura del semiconductor dopado se
representa como se muestra en la Figura 2.10, donde por simplicidad no se
representan los átomos del semiconductor anfitrión, sino únicamente los átomos
de las impurezas utilizadas en el dopado.
Figura 2.10 Representación de un cristal de
silicio dopado con átomos pentavalentes.
Dopado con elementos de valencia 3
Elementos de valencia 3
utilizados en el dopado de
semiconductores: aluminio,
boro, galio.
Los átomos trivalentes tienen tres electrones de valencia, o sea, un
electrón de valencia menos que el átomo de silicio. Entonces, al formar los
enlaces covalentes con los átomos de silicio, al átomo trivalente produce un
enlace incompleto dado que le falta un electrón. Es decir que cada átomo
trivalente agregado en el dopado genera un hueco, ya que sólo tiene siete
electrones en su órbita de valencia. Por esta razón al átomo trivalente se le llama
átomo aceptor, ya que permite alojar o aceptar a un electrón libre. (Figura 2.11)
En el cristal dopado hay tantos huecos como átomos trivalentes agregado
como impureza. Estos huecos se suman a los huecos que se produzcan por
generación térmica.
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Figura 2.11 Dopado de un cristal de silicio con
átomos trivalentes. Cada átomo trivalente produce
un hueco en el cristal semiconductor.
Figura 2.12 Representación de
un átomo trivalente utilizado
como impureza en el dopado.
Cuando se produce una recombinación el átomo trivalente se convierte en
un ión negativo, pues al completar el enlace covalente adquiere un electrón más
en su órbita de valencia, o sea, queda cargado negativamente. Así, podemos
representar el átomo trivalente mediante un círculo con un signo "-" (para
indicar que cuando el hueco es ocupado queda un ión negativo) y un circulo
pequeño sin rellenar ubicado al lado para simbolizar el hueco del enlace
covalente incompleto. Utilizando estos símbolos, la estructura del
semiconductor dopado con átomos trivalentes se representa como se muestra en
la Figura 2.12, donde por simplicidad no se representan los átomos del
semiconductor anfitrión.
Figura 2.13 Representación de un cristal de silicio
dopado con átomos trivalentes.
Tipos de semiconductores extrínsecos
Hemos visto cómo mediante el dopado se pueden agregar electrones
libres o huecos a la estructura de un semiconductor puro según se utilicen
átomos pentavalentes o trivalentes, respectivamente. Esto permite producir dos
tipos de semiconductores extrínsecos.
Semiconductor tipo n
El semiconductor tipo n es el que se obtiene al realizar el dopado con
elementos pentavalentes. Hemos descripto que el material tipo n tiene en su
interior los electrones libres aportados por los átomos pentavalentes más los
electrones libres y huecos producidos por agitación térmica. Resulta claro
entonces que en este caso los electrones libres superan en cantidad a los huecos.
Por esta razón los electrones libres reciben el nombre de portadores
mayoritarios, mientras que a los huecos se les denomina portadores
minoritarios. Este hecho es el que le da nombre al tipo de semiconductor, ya
que los portadores mayoritarios son cargas eléctricas negativas.
Al aplicar una diferencia de potencial entre los extremos del
semiconductor tipo n mediante una fuente de alimentación, los electrones libres
dentro del semiconductor se mueven hacia el extremo izquierdo del cristal,
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donde pasan al cable conductor y fluyen hacia el borne positivo de la fuente de
alimentación. Por su parte, los huecos fluyen hacia la derecha y cuando un
hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones provenientes
del borne negativo de la fuente entra al semiconductor y se recombina con el
hueco. Como se representa en la Figura 2.14, la corriente se debe casi
exclusivamente al movimiento de los electrones libres, ya que a temperatura
ambiente hay muy pocos huecos (portadores minoritarios).
Figura 2.14 Circulación de
corriente eléctrica en un
semiconductor tipo n. Los
portadores mayoritarios son los
electrones libres.
Semiconductor tipo p
El semiconductor tipo p es el que se obtiene al realizar el dopado con
impurezas trivalentes, que son impurezas aceptoras. En este caso, el número de
huecos supera el número de electrones libres, de modo que los huecos son los
portadores mayoritarios y los electrones libres del semiconductor son los
portadores minoritarios. De este hecho surge el nombre del tipo de
semiconductor, ya que los portadores mayoritarios son cargas eléctricas
positivas (huecos). Es importante recordar que el hueco es un portador de carga
ficticio y se le asigna carga positiva porque representa la ausencia de un
electrón en el enlace covalente incompleto.
Figura 2.15 Circulación de
corriente eléctrica en un
semiconductor tipo p. Los
portadores mayoritarios son los
huecos.
Cuando aplicamos una diferencia de potencial al semiconductor tipo p
mediante una fuente de alimentación, los flujos de cargas se producen igual que
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en el caso del semiconductor tipo n. Es decir que los electrones libres circulan
dentro del semiconductor de derecha a izquierda y luego se mueven hacia el
borne positivo de la fuente de alimentación mientras que los huecos viajan hacia
el extremo derecho y se recombinan ahí con los electrones que ingresan al
semiconductor provenientes del borne negativo de la fuente de alimentación. En
este caso, sin embargo, la corriente se debe al desplazamiento de los huecos.
Aunque la energía térmica puede producir electrones libres (portadores
minoritarios), a temperatura ambiente son muy pocos y por tal razón su efecto
se considera despreciable en este circuito.
El diodo
Los semiconductores tipo p y tipo n por separado no tienen mucha
utilidad, ya que el dopado solamente mejora la conductividad de un
semiconductor puro. Pero cuando un cristal es dopado de tal forma que una
mitad sea tipo p y la otra mitad sea tipo n, como se muestra en la Figura 2.16, el
cristal resultante presenta propiedades muy útiles, como veremos a
continuación. El cristal dopado de esta manera se denomina diodo de unión y la
zona que divide ambas regiones se denomina juntura o unión pn.
Figura 2.16 Esquema de formación de
un diodo de unión.
Zona de deplexión
Al formarse el diodo, los electrones libres de la región n que se
encuentran en las cercanías de la unión pn se desplazan hacia la región p
atravesando la unión. A este desplazamiento de los electrones se le denomina
difusión y ocurre porque las concentraciones de cargas eléctricas son distintas
en ambas regiones.
Figura 2.17 Proceso de difusión. Los
electrones libres de la región n
cercanos a la unión cruzan a la región p
y se recombinan con los huecos.
Al difundirse hacia la región p, el electrón libre abandona la órbita de un
átomo pentavalente, dejando un ión positivo. Cuando el electrón libre ingresa a
la región p, encuentra los huecos de los átomos trivalentes y se recombina con
el uno de ellos, generando un ión negativo. Es decir que al producirse el proceso
de difusión se van generando pares de iones. Cada par se forma por un ión
positivo en el lado n y un ión negativo en el lado p. A estas parejas formadas
por iones de cargas opuestas se les llama dipolos.
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A medida que progresa la difusión, aumenta la cantidad de dipolos y la
región cercana a la unión va quedando cada vez con menos portadores libres,
creándose la llamada zona de deplexión. Esta zona se extiende a ambos lados de
la unión y comprende la región que queda vacía de portadores libres debido a
que durante el proceso de difusión los átomos dopantes, los cuales se
encuentran ocupando posiciones fijas, se convierten en iones sin posibilidad de
desplazamiento.
Figura 2.18 Zona de deplexión
formada por el proceso de difusión.
Formación de dipolos.
Hay que tener en cuenta que el proceso de difusión sucede en forma
instantánea en el momento en el que se forma la unión pn, y no necesita de
ningún aporte de energía, excepto el de la agitación térmica.
Barrera de potencial
Los dipolos generados por la difusión crean un campo eléctrico interno Ei
en la zona de deplexión, como se muestra en la Figura 2.19.
Figura 2.19 La Barrera de potencial se
establece en la zona de deplexión
debido al campo eléctrico Ei formado
por los dipolos.
Durante la difusión, la intensidad de este campo eléctrico aumenta con la
formación de cada dipolo, hasta alcanzar un equilibrio. Este campo eléctrico Ei
es equivalente a una diferencia de potencial eléctrica llamada Barrera de
Potencial, cuyo valor depende del elemento semiconductor utilizado en la
fabricación del diodo. La diferencia de potencial de la barrera de potencial, a 25
ºC, vale aproximadamente:
0.3 V para diodos de germanio.
0.7 V para diodos de silicio.
Polarización directa
Si el terminal positivo de la fuente de alimentación se conecta al extremo
tipo p y el terminal negativo de la fuente al extremo tipo n, diremos que estamos
en polarización directa.
Tal como se muestra en la Figura 2.20, la fuente aplica un campo
eléctrico E a lo largo de los conductores y de la unión pn. Este campo eléctrico
es de sentido contrario al campo eléctrico Ei producido por los dipolos en la
unión pn. Si el campo eléctrico E es mayor que el campo eléctrico Ei generado
dentro de la zona de deplexión, es decir, si la diferencia de potencial aplicada
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por la fuente es mayor que la diferencia de potencial de la barrera de potencial,
entonces circulará con facilidad una corriente I por el circuito.
En estas condiciones, los electrones libres del conductor fluyen desde el
borne negativo de la fuente hacia el extremo derecho del diodo y se desplazan a
través de la región n como electrones libres. Luego, atraviesan la zona de
deplexión (recordar que E>Ei) y se desplazan a través de la región p
recombinándose sucesivamente con los huecos de esta zona hasta llegar a su
extremo izquierdo, fluyendo luego a través del cable conductor hacia el borne
positivo de la fuente. La fuente de alimentación desplaza los electrones a través
de ella hacia el borne negativo, iniciando un nuevo ciclo.
Figura 2.20 Polarización directa del
diodo.
Polarización inversa
Cuando el terminal negativo de la fuente se conecta al lado p del diodo y
el positivo al lado n, se denomina polarización inversa.
En la Figura 2.21 se muestra una conexión en polarización inversa.
Figura 2.21 Polarización inversa del
diodo.
La fuente de alimentación establece un campo eléctrico E a lo largo de la
unión pn en la misma dirección y sentido que el campo eléctrico Ei, lo que
ocasiona el ensanchamiento de la zona de deplexión, ya que los huecos y los
electrones libres se alejan de la unión. Por consiguiente, prácticamente no hay
circulación de corriente a través de la unión, y por ende tampoco hay
conducción a través del diodo. Aunque existe una corriente inversa originada
por la creación de pares electrón-hueco (energía térmica), así como la presencia
de impurezas en el cristal ajenas al dopado e imperfecciones de su estructura
interna, es muy pequeña y a los efectos prácticos se la considera nula.
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Símbolo y terminales del diodo de unión
Para representar el diodo de unión en los circuitos se utiliza el símbolo de
la Figura 2.22. El terminal conectado a la región tipo p se denomina cátodo y el
terminal conectado a la región tipo n se denomina ánodo.
Figura 2.22 Símbolo y terminales del diodo.
Ejemplo
Dado un circuito formado por un diodo de silicio en serie con una resistencia de 2 KΩ, hallar la
intensidad de corriente que circula cuando se utiliza una fuente de alimentación de 9 V en polarización
directa.
Solución
Aplicando la ley de mallas:
9V − VR − 0.7V = 0
VR = 9V − 0.7V
Aplicando la ley de Ohm a la resistencia R y reemplazando:
I=
VR 9V − 0.7V 9V − 0.7V
=
=
= 0.00415 A = 4.15mA
R
2 KΩ
2000Ω
La curva característica del diodo
La curva característica de operación de un diodo real se obtiene
graficando el valor de la intensidad de corriente que circula por él cuando se le
aplican distintos valores de tensión. En la Figura 2.23 y Figura 2.24 se muestra
un circuito con una fuente de alimentación variable y los instrumentos de
medición necesarios. Se van fijando distintos valores de tensión V de la fuente
de alimentación y para cada valor fijado se mide la caída de tensión en los
extremos del diodo y la corriente que circula por el mismo, tanto en
polarización directa como inversa. La polarización inversa se obtiene
invirtiendo la polaridad de la fuente de alimentación.
42
Figura 2.23 Circuito eléctrico con una fuente de alimentación variable e
instrumentos para la medición de corriente y caída de tensión en el diodo.
Polarización directa.
Polarización directa: Conforme la tensión en polarización directa
aumenta a partir de cero, la corriente no fluye de inmediato. Es necesaria una
tensión mínima, denotada por Vd, para obtener una corriente significativa.
Cuando la tensión aplicada comienza a exceder el valor Vd, la corriente
aumenta con rapidez. Esta tensión Vd es la diferencia de potencial mínima que
se necesita para contrarrestar la barrera de potencial de la unión pn. Se
denomina tensión de umbral de conducción y su valor depende del material
semiconductor utilizado en la construcción del diodo, que es aproximadamente
0,7 V para diodos de silicio y 0,3 V para diodos de germanio (a temperatura
ambiente). En la zona de conducción la pendiente de la curva característica es
grande pero no infinita, lo que indica que la resistencia que ofrece el diodo a la
circulación de la corriente es prácticamente nula (R aproximada a cero). Debido
a esta baja resistencia al conducir corriente, en los circuitos prácticos el diodo
siempre debe ir asociado con una resistencia R en serie que limite la intensidad
de corriente circulante. De no existir dicha resistencia R, la corriente sería la
máxima que pudiera entregar la fuente de alimentación, dañando el diodo en
forma permanente.
Polarización inversa: Cuando el diodo está polarizado en forma inversa,
existe una pequeña corriente de fuga. Esta corriente de fuga se produce siempre
que la tensión inversa aplicada sea inferior a cierto valor, denominado tensión
de ruptura del diodo (VBR). Valores de tensión inversa superiores a la tensión de
ruptura producen un efecto de gran aumento de corriente inversa con poco
incremento de la tensión inversa, denominado efecto de avalancha. El aumento
de corriente circulante en el diodo genera excesivo calor y puede ocasionar la
destrucción del diodo.
Figura 2.24 Circuito eléctrico con una fuente de alimentación variable e
instrumentos para la medición de corriente y caída de tensión en el diodo.
Polarización inversa.
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Figura 2.25 Curva característica del diodo.
El transistor
Figura 2.26 Representación de
la formación de un transistor.
El transistor es un dispositivo electrónico de tres terminales construido
con material semiconductor que funciona como amplificador de corriente y
como un elemento de conmutación. Para entender el funcionamiento se verá
esquemáticamente su estructura.
El transistor está compuesto por tres zonas de dopado, como se ve en la
Figura 2.26:
La zona superior es el Colector, la zona central es la Base y la zona
inferior es el Emisor. El Emisor está muy dopado, la Base tiene un dopado muy
bajo y el Colector posee un dopado intermedio.
El transistor tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y la otra
entre la base y el colector. A la juntura Base-Emisor se la denomina diodo de
emisor, mientras que a la juntura Colector-Base se le llama diodo de colector.
El transistor puede ser tipo npn, aunque también podría ser un pnp. La
Figura 2.27 muestra la disposición de dopado en el material y los símbolos de
ambos tipos de transistores.
Figura 2.27 Formación y símbolos de
los tipos de transistor npn y pnp.
Haremos un análisis utilizando el transistor npn. Cuando el transistor está
sin energizar y en circuito abierto, se produce un proceso de difusión, al igual
que en un diodo, es decir que los electrones libres traspasan de la región n a la
región p, y se recombinan con los huecos. Esto hace que en las proximidades de
las uniones entre las regiones n y p se formen iones positivos en las regiones n y
negativos en la región p.
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Figura 2.28 Representación de un
transistor npn. La difusión de electrones
libres en ambas uniones crea dos zonas
de deplexión.
Esta difusión y recombinación se produce hasta llegar al equilibrio,
momento en el que se establece una barrera de potencial cuyo valor depende del
semiconductor: aproximadamente 0,7 V para el silicio y 0,2 V para el germanio.
La difusión produce dos zonas vacías de cargas libres, una en la unión E-B y
otra en la unión C-B, es decir, se producen dos zonas de deplexión.
El transistor polarizado
Si se conectan fuentes de tensión externas (como se muestra en la Figura
2.29b) para polarizar al transistor, la fuente VEE provoca un campo eléctrico en
la juntura del diodo base-emisor que polariza de manera directa a dicho diodo.
La fuente VCC provoca un campo eléctrico en la juntura del diodo base-colector
que polariza de manera inversa a dicho diodo. Debido a que la zona p de la base
es muy estrecha, muy pocos electrones de la zona n del emisor que atraviesan a
la zona p se recombinan con los huecos, mientras que; la mayoría de dichos
electrones son atraídos hacia la zona n para salir por el colector, debido al
campo eléctrico ECB que provoca VCC.
Figura 2.29 Polarización del
transistor npn.
De los electrones libres -portadores mayoritarios- en el emisor,
aproximadamente un 1% se recombina en la base. El 99% restante de los
electrones no se recombina y llega al colector. La palabra colector viene de ahí,
el colector "colecta" los electrones, eso es el efecto transistor.
La base es pequeña y además está construida con pocas impurezas. Esa es
la razón de que la probabilidad de que un electrón se recombine sea muy baja
(por ejemplo, del orden del 1%).
El emisor emite electrones, el colector los colecta, y la base es un
dispositivo de control.
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Corrientes en el transistor
Si aplica la Ley de Kirchoff de corrientes en el nodo A, tenemos;
+ IE − IB − IC = 0
(1 - 2)
+ I E = I B + IC
Debido a lo explicado, la corriente de emisor IE es aproximadamente
igual a la corriente de colector IC y la corriente de base IB es mucho menor que
las anteriores. En todo transistor se cumple que la corriente de colector es β
veces la corriente de base, donde β se define como Ganancia de corriente.
β=
IC
IB
(1 - 3)
Es decir que un valor de la corriente de base provoca una corriente de
colector multiplicada por el factor β. Como en el transistor se cumple que β > 1,
esto implica decir que el transistor es un amplificador de corriente: pequeños
cambios en la corriente de base producen grandes cambios en la corriente de
colector.
Figura 2.30 Amplificación de
corriente en el transistor:
I C = β .I B
El transistor en conmutación
Funcionamiento de un interruptor: si se considera una linterna, en la
que una llave cierra el circuito y por lo tanto circula corriente por el mismo, la
energía eléctrica de la fuente (pila) se transforma en energía lumínica. Se puede
esquematizar el circuito de la linterna como se ve en la Figura 2.31:
46
Figura 2.31 Representación del circuito eléctrico de una linterna
Cuando el interruptor está en la posición 1, el circuito está abierto y por
lo tanto no circula corriente, lo que implica que en la resistencia R no hay caída
de tensión, es decir que VR = 0 y el potencial Vcc de la fuente está aplicado en
los terminales del interruptor: VL = Vcc.
Al accionar el interruptor a la posición 2, se cierra el circuito y por lo
tanto circula una corriente I que provoca una caída de tensión en la resistencia
VR = I.R y la diferencia de tensión en los extremos de la llave será VL = 0.
El siguiente circuito incluye un interruptor que permite controlar la
circulación de corriente hacia la base del transistor.
Si se acciona el interruptor a la posición 1 (abierto), el diodo basecolector no está polarizado en forma directa es decir, no circula corriente hacia
la base. Como I B = 0 , entonces ocurrirá que I C = β .I B = 0 . Se dice entonces
que el transistor está en corte (el transistor no conduce). Al no circular corriente
por la resistencia de colector no hay caída de tensión en ella y por lo tanto Vsal
= 10 V. El transistor se comporta como una llave abierta entre el colector y el
emisor.
Figura 2.32 Ejemplo de circuito de operación en
conmutación del transistor. El transistor funciona en corte o
saturación. El transistor actúa como una llave entre los
terminales colector y emisor.
Si el interruptor se coloca en la posición 2 (cerrado), el diodo base-emisor
queda polarizado en forma directa y circula corriente por la resistencia de base.
Esto produce una circulación de corriente de base y por ende, una corriente de
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colector mayor: I C = β .I B = 0 . Esta corriente de colector puede crecer hasta
cierto valor, determinado por el circuito. Se dice entonces que el transistor se
satura. En este estado, el transistor no opone resistencia a la circulación de
corriente de colector y la caída de tensión entre el colector-emisor es
prácticamente cero (VCE < 0,1 volt). Esto quiere decir que la Vsal es
aproximadamente cero y el transistor se comporta como una llave cerrada entre
colector–emisor.
La Figura 2.33 resume el análisis de los valores de corriente de colector y
tensión de salida (tensión colector-emisor) al cambiar la posición del
interruptor. Observe que se grafica la corriente de colector Ic en función de la
tensión colector-emisor VCE.
Figura 2.33 Puntos de corte y
saturación del transistor del circuito
mostrado en la Figura 2.32.
Impedancia
Los elementos tales como resistores, cables, filamentos de lámparas
incandescentes y estufas eléctricas, etc. cumplen con la ley de Ohm y son
llamados componentes eléctricos resistivos y los circuitos conformados por
dichos componentes son llamados circuitos resistivos. Como ya hemos visto, la
ley de Ohm establece que la relación entre la tensión aplicada a dicho
componente o circuito y la intensidad de corriente que lo atraviesa es una
constante R representativa de la oposición que dicho componente o circuito
presenta a la circulación de corriente.
Pero a diferencia de los componentes resistivos, existen componentes
tales como los semiconductores (diodos y transistores), capacitores e
inductancias, entre otros, cuyas características de corriente-tensión no son
lineales y por lo tanto no cumplen con la ley de Ohm. Esto quiere decir que la
oposición a la circulación de la corriente que presentan estos elementos no es un
valor constante sino que, varía en función de las características del circuito en
los que dichos elementos están insertos. Por ejemplo, la oposición a la
circulación de la corriente que presenta un transistor entre colector y emisor
depende de las condiciones en que se encuentre funcionando: en condiciones de
corte el elemento presenta una gran oposición a la circulación de corriente,
mientras que en condiciones de saturación la oposición a la circulación de
corriente es prácticamente nula.
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Definiremos como impedancia de un componente a la magnitud que
indica la oposición que -bajo determinadas condiciones- dicho componente
presenta a la circulación de una corriente eléctrica. Esta impedancia será
calculada, para las condiciones consideradas, como la relación entre la tensión
aplicada al componente y la intensidad de corriente que circula por el mismo.
En a Figura 2.34 se muestra el símbolo que se utiliza para representar la
impedancia en los esquemas circuitales en comparación con el símbolo de la
resistencia. La impedancia se representa con la letra Z y su unidad de medida es
el ohm.
Figura 2.34 Símbolos de resistencia e impedancia
Ejemplo
Dado un circuito conformado por la asociación en serie de una resistencia y un diodo, analice el valor de
impedancia del circuito en condiciones de polarización directa e inversa.
Solución
I=
VR 9V − 0.7V
=
= 0.00415 A = 4.15mA
R
2 KΩ
Polarización directa: En la figura 2-37 (a) se muestra el circuito con el diodo polarizado en forma
directa. En estas condiciones, el diodo no opone prácticamente ninguna oposición a la circulación de la
corriente y sólo impone una caída de tensión entre sus terminales de aproximadamente 0.7 V, por lo que
podríamos decir que, bajo estas circunstancias, la “impedancia” ZD que presenta el diodo entre sus
terminales es prácticamente nula (ZD à 0), lo que se ve reflejado en el gran valor de la pendiente
(prácticamente vertical) de su característica I – V, como se muestra en la figura 2-37 (b).
Figura 2.35
a) Circuito con un diodo en polarización directa.
b) Zona de funcionamiento en la curva característica.
c) Circuito equivalente.
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Ejemplo (continuación)
Así, lo único que regula la intensidad de la corriente en el circuito es el valor de la resistencia R y la
caída de 0.7 V en el mismo diodo. El valor de la impedancia Z de esta asociación serie es la relación
entre la tensión VAB aplicada a la asociación serie y la corriente que circula, es decir:
Z=
VAB
I
Si aplicamos la ley de Kirchoff de distribución de tensiones al circuito obtenemos:
Vf − VR − VD = 0
Vf − I ⋅ R − 0,7V = 0
⇒
I=
Vf - 0,7V
R
y reemplazando la expresión de la corriente en la expresión de impedancia:
Z=
Vf
VAB
Vf


=
=
⋅R
Vf
0,7V
I
 Vf - 0,7V 
R
lo que da un valor para la impedancia Z del circuito ligeramente mayor a R. Finalmente en la figura 2-37
(c) se muestra el circuito equivalente.
Polarización inversa: En el circuito de la figura 2-38 (a) se muestra la misma asociación serie pero con
el diodo polarizado en forma inversa (notar que se ha invertido la polaridad de la fuente de
alimentación). En este caso el diodo prácticamente no permite la circulación de corriente en el circuito
(sólo circula una pequeña corriente inversa a través del diodo del orden de los micro amperes) y por lo
tanto podríamos decir que, bajo estas circunstancias, la “impedancia” ZD que presenta el diodo entre sus
terminales es extremadamente grande (ZD à ∞), lo que se ve reflejado en el pequeño valor de la
pendiente (prácticamente horizontal) de su característica I - V mostrada en la figura 2-38 (b).
Así, podríamos calcular la impedancia Z de esta asociación serie como:
Z=
VAB Vf
=
I
I
pero como I → 0
entonces Z → ∞
lo que da un valor para la impedancia Z del circuito muy grande. Finalmente en la figura 2-38 (c) se
muestra el circuito equivalente.
Figura 2.36
a) Circuito con un diodo en polarización inversa.
b) Zona de funcionamiento en la curva característica.
c) Circuito equivalente.
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