UNIVERSIDADTECNOLOGICA DE LA REGION CARBONIFERA “PROYECTO FINAL” ALUMNO: JOSUE CALEB GARCIA ALVARADO MAESTRA: RAIMUNDO BLADIMIR IGLESIAS CALDERON GRUPO: MAP 4.1 LUGAR: SAN JUAN DE SBINAS FECHA: 21/11/19 Características de semiconductores intrínsecos y extrínsecos. Semiconductores intrínsecos Un material semiconductor hecho sólo de un único tipo de átomo, se denomina semiconductor intrínseco. Los más empleados históricamente son el germanio (Ge) y el silicio (Si); siendo éste último el más empleado (por ser mucho más abundante y poder trabajar a temperaturas mayores que el germanio). Cada átomo de un semiconductor tiene 4 electrones en su órbita externa (electrones de valencia), que comparte con los átomos adyacentes formando 4 enlaces covalentes. De esta manera cada átomo posee 8 electrones en su capa más externa., formando una red cristalina, en la que la unión entre los electrones y sus átomos es muy fuerte. Por consiguiente, en dicha red, los electrones no se desplazan fácilmente, y el material en circunstancias normales se comporta como un aislante. Sin embargo, al aumentar la temperatura, los electrones ganan energía, por lo que algunos pueden separarse del enlace e intervenir en la conducción eléctrica. De esta manera, la resistividad de un semiconductor disminuye con la temperatura (su conductividad aumenta). A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, se le somete al potencial eléctrico, como por ejemplo de una pila, se dirigen al polo positivo. Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, cuyo efecto es similar al que provocaría una carga positiva. Semiconductores extrínsecos Para mejorar las propiedades de los semiconductores, se les somete a un proceso de impurificación (llamado dopaje), consistente en introducir átomos de otros elementos con el fin de aumentar su conductividad. El semiconductor obtenido se denominará semiconductor extrínseco. Según la impureza (llamada dopante) distinguimos: Semiconductor elementos tipo trivalentes P: (3 se emplean electrones de valencia) como el Boro (B), Indio (In) o Galio (Ga) como dopantes. Puesto que no aportan los 4 electrones necesarios para establecer los 4 enlaces covalentes, en la red cristalina éstos átomos presentarán un defecto de electrones (para formar los 4 enlaces covalentes). De esa manera se originan huecos que aceptan el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina. Así, al material tipo P también se le denomina donador de huecos (o aceptador de electrones). Semiconductor tipo N: Se emplean como impurezas elementos pentavalentes (con 5 electrones de valencia) como el Fósforo (P), el Arsénico (As) o el Antimonio (Sb). El donante aporta electrones en exceso, los cuales al no encontrarse enlazados, se moverán fácilmente por la red cristalina aumentando su conductividad. De ese modo, el material tipo N se denomina también donador de electrones. - Unión PN polarizada en directo e inverso. Polarización Directa del Diodo En este caso aplicamos el polo positivo de la fuente a la zona P y el polo negativo a la zona N. Si te fijas los electrones del polo negativo de la batería repele los electrones (portadores mayoritarios) de la zona N, dándoles más fuerza para atravesar la barrera o región agotamiento y de esta disminuye. Además, en este caso, inyectamos electrones procedentes de la pila en la zona N aumentando los portadores mayoritarios. Hemos disminuido el potencial positivo de esta zona inyectando electrones y por lo tanto abramos disminuido la zona de difusión, por lo que los electrones de N ya pueden pasar a la zona P. En la zona P, la carga positiva repele los huecos haciendo que estos se acerquen a la región de agotamiento y atraigan aún más a los electrones de la zona N. En este caso metemos huecos en la zona P aumentando los portadores mayoritarios y disminuyendo el potencial Negativo que tenía. Igualmente en este caso hemos disminuido el potencial de la zona de difusión. Lo que sucede, en definitiva, es que se disminuye el ancho de la zona de agotamiento que había en la unión (disminución de la tensión de la región) y esto provoca que sea más fácil pasar a los electrones de la zona N a la P para rellenar los huecos. Ahora los electrones inyectados por la pila tendrán la suficiente energía para atravesar la región de agotamiento y pasar a la zona P produciéndose corriente eléctrica por el semiconductor PN mientras tengamos la pila conectada. En definitiva el diodo, unión PN o semiconductor PN, como queramos llamarlo, se comporta como un conductor de la corriente eléctrica en polarización directa. Mientras este conectado a la fuente de alimentación o pila, la bombilla del circuito lucirá. Para que la unión empiece a ser conductora hay que ponerle a una pequeña tensión en polarización directa. Polarización Inversa En este tipo de conexión el polo positivo de la pila se conecta al N y el negativo al P. Al inyector electrones en la zona P, rellenarán los huecos, portadores mayoritarios de la zona P, y estos electrones formarán más iones negativos o aniones al rellenar los huecos de los enlaces que todavía no se habían rellanado y la región de agotamiento aumentará, aumentaremos el potencial negativo en esta zona o lo que es lo mismo, tendremos mayor d.d.p. o tensión en la unión. En estas condiciones los electrones de la zona N lo tienen cada vez más difícil pasar a la zona P con lo que la unión PN se comporta como un aislante en polarización inversa. Todo esto esta muy bien, pero...¿Qué pasará si seguimos metiendo mas electrones, o lo que es lo mismo si seguimos aumentando la tensión de la fuente de alimentación en polarización inversa. - Curvas de operación La curva de operación (OC) presenta la potencia de discriminación de un plan de muestreo de aceptación. La curva OC grafica las probabilidades de aceptar un lote versus la fracción defectuosa. Cuando se grafica la curva OC, los riesgos del muestreo son evidentes. Siempre debe examinar la curva OC antes de utilizar un plan de muestreo. a) Transistor de unión bipolar El transistor bipolar o bjt es un dispositivo electrónico, mediante el cual se puede controlar una cierta cantidad de corriente por medio de otra cantidad de corriente, este dispositivo consta de 3 patitas, terminales o pines, cada uno de estos pines tienen un nombre especial, es importante no olvidase de esos nombres, los cuales son el colector, la base y el emisor, tal como se ve en la imagen, el orden de los pines depende del transistor que se esté utilizando, para ello será necesario recurrir a su hoja de datos, en la imagen se puede ver el orden de los pines correspondientes para el transistor bipolar BC547B. El transistor bipolar está formado por capas de material semiconductor tipo n y tipo p, de acuerdo a la distribución de los materiales semiconductores se tienen 2 tipos de transistor bipolares, los que se conocen como transistor npn y transistor pnp, el funcionamiento del transistor se basa en movimientos de electrones (negativos) y de huecos (positivos), de allí el nombre de transistor bipolar o bjt (transistor de unión bipolar). b) Transistor de efecto de campo El transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor, en inglés) es un transistor que usa el campo eléctrico para controlar la forma y, por lo tanto, la conductividad de un canal que transporta un solo tipo de portador de carga, por lo que también suele ser conocido como transistor unipolar. Es un semiconductor que posee tres terminales, denominados puerta (gate), drenaje (drain) y fuente (source). La puerta es el terminal equivalente a la base del transistor BJT (Bipolar Junction Transistor), de cuyo funcionamiento se diferencia, ya que en el FET, el voltaje aplicado entre la puerta y la fuente controla la corriente que circula en el drenaje. Se dividen en dos tipos los de canal-n y los de canal-p, dependiendo del tipo de material del cual se compone el canal del dispositivo. c) transistores Se llama transistor a un tipo de dispositivo electrónico semiconductor, capaz de modificar una señal eléctrica de salida como respuesta a una de entrada, sirviendo como amplificador, conmutador, oscilador o rectificador de la misma. Es un tipo de dispositivo de uso común en numerosos aparatos, como relojes, lámparas, tomógrafos, celulares, radios, televisores y, sobre todo, como co mponente de los circuitos integrados (chips o microchips). Identificar la estructura atómica de los semiconductores elementales y dopantes Estructura atómica de los semiconductores elementales: Las propiedades eléctricas de un material semiconductor vienen determinadas por su estructura atómica. En un cristal puro de germanio o de silicio, los átomos están unidos entre sí en disposición periódica, formando una rejilla cúbica tipo diamante perfectamente regular. Cada átomo del cristal tiene cuatro electrones de valencia, cada uno de los cuales interactúa con el electrón del átomo vecino formando un enlace covalente. Al no tener los electrones libertad de movimiento, a bajas temperaturas y en estado cristalino puro, el material actúa como un aislante. ejemplo: • SILICIO Se prepara en forma de polvo amorfo amarillo pardo o de cristales negros−grisáceos. Se obtiene calentando sílice, o dióxido de silicio (SiO2), con un agente reductor, como carbono o magnesio, en un horno eléctrico. El silicio cristalino tiene una dureza de 7, suficiente para rayar el vidrio, de dureza de 5 a 7. El silicio tiene un punto de fusión de 1.410 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y una densidad relativa de 2,33. Su masa atómica es 28,086. Se disuelve en ácido fluorhídrico formando el gas tetra fluoruro de silicio, SiF4 y es atacado por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico, aunque el dióxido de silicio formado inhibe la reacción. También se disuelve en hidróxido de sodio, formando silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas ordinarias el silicio no es atacado por el aire, pero a temperaturas elevadas reacciona con el oxígeno formando una capa de sílice que impide que continúe la reacción. A altas temperaturas reacciona también con nitrógeno y cloro formando nitruro de silicio y cloruro de silicio respectivamente. Estructura atómica de los semiconductores dopantes Dopaje de Semiconductores En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar. A los semiconductores con dopajes ligeros y moderados se los conoce como extrínsecos. Un semiconductor altamente dopado, que actúa más como un conductor que como un semiconductor, es llamado degenerado. TIPOS DE MATERIALES DOPANTES N Se llama material tipo N al que posee átomos de impurezas que permiten la aparición de electrones sin huecos asociados a los mismos. Los átomos de este tipo se llaman donantes ya que "donan" o entregan electrones. Suelen ser de valencia cinco, como el Arsénico y el Fósforo. De esta forma, no se ha desbalanceado la neutralidad eléctrica, ya que el átomo introducido al semiconductor es neutro, pero posee un electrón no ligado, a diferencia de los átomos que conforman la estructura original, por lo que la energía necesaria para separarlo del átomo será menor que la necesitada para romper una ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor original). Finalmente, existirán más electrones que huecos, por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los últimos los minoritarios. La cantidad de portadores mayoritarios será funcióndirecta de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje N). En el caso del Fósforo, se dona unelectrón. Describir el comportamiento de la unión semiconductora PN UNION PN Se podría pensar que la unión se puede formar simplemente pegando un material semiconductor N con otro P, pero esto no es así, además de estar en contacto, deben tener contacto eléctrico. Lógicamente, como ya dijimos antes, la suma de las cargas de los dos cristales, antes de la unión, será neutra. Resumiendo. En la zona N tenemos electrones libres y en la zona P tenemos huecos en espera de ser rellenados por electrones. Si ahora los unimos, los electrones del material N, que están más cerca de la franja de la unión, serán atraídos por los huecos de la zona P que están también más cerca de la unión. Estos electrones pasarán a rellenar los huecos de las impurezas más cercanos a la franja de unión. Un átomo de impureza de la zona P, que era neutro, ahora tiene un electrón más llegado de la zona N para formar enlace en el hueco que tenía. Este átomo de impureza ahora quedará cargado negativamente (un electrón más) y se convertirá un anión o ión negativo. Así mismo un átomo de impureza de la zona N quedará cargado positivamente por que se le ha ido un electrón y se convertirá un catión o inón positivo. Esto provoca que en la franja de la unión PN tengamos por un lado carga negativa y por el otro positiva. Negativa en la zona P, que antes de la unión era neutra y positiva en la zona N, que antes también era neutra. Esta franja con cationes y aniones se llama región de agotamiento o zona de difusión. Llega un momento que un nuevo electrón de la zona N intente pasar a la zona P y se encontrará con la carga negativa de la región de agotamiento en P (los iones negativos formados), que le impedirán el paso (cargas iguales se repelen). En este momento se acabará la recombinación electrón-hueco y no habrá más conducción eléctrica. Además la zona N que antes era neutra ahora tendrá carga positiva, ya que han se han ido de ella electrones, y la zona P, que antes también era neutra, ahora será negativa, ya que ha recogido los electrones que abandonaron la otra zona. La unión PN deja de ser eléctricamente neutra. Aún así la parte N, fuera de la región de agotamiento, seguirá teniendo electrones libres que no formaron enlaces con átomos de semiconductor puro, y la parte P seguirá teniendo huecos. Por eso en la imagen anterior ves el signo menos en la zona N como el más abundante y el signo + en la P como más abundante (portadores mayoritarios). OJO en la región de agotamiento habrá cationes y aniones, es decir un potencial positivo a un lado y un potencial negativo al otro, por lo que entre N y P habrá una diferencia de potencial (d.d.p.) o tensión ya que la unión ahora ya no es eléctricamente neutra. Ahora podemos imaginar el conjunto de la unión PN como una pila de unos 0,3V o 0,6V dependiendo si el semiconductor puro son átomos de germanio o silicio respectivamente. Esta supuesta "pila" tendrá su carga positiva en la zona N y la carga negativa en la zona P. A esta unión ya la podemos llamar diodo, que es como se conoce en electrónica. Pero… ¿Qué necesitaremos para que más electrones de la zona N puedan pasar a la zona P? Pues necesitaremos suministrarles energía suficiente para que atraviesen la región de agotamiento, es decir energía para que sean capaces de saltar esa barrera o superar la tensión producida o vencer la fuerza de repulsión de los iones negativos de la zona P, de lo contrario, no habrá conducción. Vamos a suministrar esta energía conectando la unión o el diodo a una fuente de energía, por ejemplo una pila o fuente de alimentación. Identificar los tipos básicos de uniones PNP, NPN, PNPN. PNP El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias. Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector. La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo. NPN NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación. Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector. La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo. PNPN El diodo Shockley es un diodo pnpn de cuatro capas con slo dos terminales externas, como se muestra en la figura 1a con su smbolo grfico. Las características del dispositivo son exactamente las mismas que para el SCR con IG_ 0. Como las características lo indican, el dispositivo está en “apagado” (representación de circuito abierto) hasta que se alcanza el voltaje de conducción, momento en cual se desarrollan las condiciones de avalancha y el dispositivo se enciende (representación de cortocircuito). Describir las características de los semiconductores intrínsecos y extrínsecos, para las diferentes uniones Extrínsecos Los semiconductores extrínsecosse forman añadiendo pequeñascantidades de impurezasa los semiconductores puros. El objetivo es modificar su comportamiento eléctrico al alterar la densidad de portadores de carga libres.Estas impurezas se llaman dopantes. Así, podemos hablar de semiconductores dopados.En función del tipo de dopante, obtendremos semiconductores dopados tipo po tipo n. Para el silicio, son dopantes de tipo n los elementos de la columna V, y tipo p los de la III Intrínsecos Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción. Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica. Como se puede observar en la ilustración, en el caso de los semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida es mucho más estrecho en comparación con los materiales aislantes. La energía de salto de banda (Eg) requerida por los electrones para saltar de la banda de valencia a la de conducción es de 1 eV aproximadamente. En los semiconductores de silicio (Si), la energía de salto de banda requerida por los electrones es de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.
