UNIONES SEMICONDUCTORES -Semiconductores extrínsecos

UNIONES SEMICONDUCTORES
-Semiconductores extrínsecos. Donadores y aceptadores.
Se denominan semiconductores extrínsecos a aquellos semiconductores puros a los que se les han
introducido impurezas en pequeñísimas cantidades, con el propósito de aumentar su conducción.
Estas impurezas suelen ser elementos pertenecientes a los grupos tercero y quinto de la tabla periódica y se
mezclan con el germanio o el silicio en estado de fusión para que algunos átomos de estos sean sustituidos
por átomos de impureza durante el proceso de cristalización.
Este efecto se denomina “dopado” y según sea el elemento utilizado como impureza del grupo tercero o
quinto el semiconductor se denomina de tipo P o N respectivamente.
Veamos el porqué de estas denominaciones y como influye el dopado en el aumento de la capacidad
conductora del material.
Tomemos el germanio como material semiconductor puro, añadámosle, en estado de fusión impurezas del
grupo quinto, por ejemplo Sb. Al cristalizar algunos átomos de Ge habrán sido sustituidos por los de Sb sin
distorsionar la red cristalina dada la pequeña proporción de las impurezas.
Como es sabido , el Sb tiene cinco electrones de valencia por lo que solo cuatro de ellos podrán formar enlace
covalente con sus vecinos átomos de Ge. Ello supone que el quinto electrón quede unido, muy débilmente, al
núcleo de Sb y se necesite una energía tan pequeña para separarlo de el que puede considerarse como
electrón libre y por tanto, utilizarse en la conducción como portador de carga.
Estos elementos que al ser introducidos como impureza dan un exceso de electrones libres , se denominan
donadores.
Al tener el átomo de Sb cinco electrones en su ultima capa, uno de ellos no puede situarse en la banda de
valencia del germanio puro que queda completa con cuatro electrones. Sin embargo el hecho de haber
introducido la impureza modifica la distribución de los niveles energéticos de manera que se crea un nuevo
nivel de energía disponible, dentro de la banda prohibida, que contiene ese quinto electrón.
Este nivel se sitúa muy cerca del nivel inferior de la banda de conducción a una distancia equivalente a la
energía necesaria para separarlo del núcleo de Sb.
Se comprende que el mas pequeño aporte de energía hará que este quinto electrón pase a la banda de
conducción dejando el átomo de Sb ionizado.
La carga positiva es inmóvil por pertenecer al núcleo pero, por el contrario, los electrones en la banda de
conducción son fácilmente desplazables y dan lugar a una corriente eléctrica cuando se aplica una campo
exterior.
Cuando se introducen impurezas del grupo tercero por ejemplo In el proceso es análogo pero del signo
contrario.
Al finalizar la cristalización un átomo de In ha sustituido a uno de Ge.
Como el In solo tiene tres electrones de valencia para compartir, habrá un hueco o falta de electrón en uno de
los enlaces con el Ge.
Este tipo de impurezas que proporciona un exceso de huecos se denominan aceptadoras por dar lugar a una
configuración que posibilita la aceptación de un electrón para cubrir un hueco.
En este caso aparece un nuevo nivel de energia disponible en la banda prohibida muy cerca del nivel superior
de la banda de valencia .Asi pues con un pequeño aporte de energia algunos electrones de la banda de
valencia pueden pasar a ocupar el nuevo nivel. Este movimiento de electrones crea huecos en la banda de
valencia que se desplazan dentro de la misma como se explico para semiconductores intrínsecos.
Se puede decir que a temperatura ambiente todos los átomos de impureza están ionizados y por tanto, la
corriente en los donadores será debida, sobre todo, a electrones ya que habrá muchos mas de estos en la
banda de conducción que huecos en la de valencia. En los aceptadores , será debida a los huecos por la
razón inversa. Por ello a los primeros se les llama semiconductores del tipo N (portadores negativos) debido a
que los electrones son mayoritarios y a los segundos semiconductores de tipo P (portadores positivos) por la
razón contraria.
Si los semiconductores tienen ambos tipos de impureza, las concentraciones de electrones y huecos vienen
reguladas, en cada zona, por la ley de acción de masa que se expresa: Nn Pn =Np Pp =N1^2
Donde Nn y Pn, son las concentraciones de electrones y huecos respectivamente en la zona de tipo N ;Np y
Pp, las concentraciones de electrones y huecos respectivamente en la zona de tipo P y n1 la concentración
intrínseca. Ello indica que la ecuación general de equilibrio en un semiconductor puro, sigue siendo válida
para un semiconductor con impurezas.
Por otra parte en los diagramas de distribución de niveles y de ocupación de los mismos que representan un
semiconductor dopado con impurezas de tipo P y N pero con n>p; puede verse que el nivel de Fermi se
encuentra situado en una posición intermedia dentro de la banda prohibida, pero mas próximo a la banda de
conducción que a la de valencia a causa del predominio de la concentración de electrones sobre la de huecos.
Uniones entre semiconductores de distinta naturaleza. Zona de transición y potencial de contacto.
Cuando se introducen en uno de los extremos de un semiconductor impurezas de tipo P y en el otro
impurezas de tipo N, de forma que una zona del cristal pueda considerarse aceptadora y otra donadora, se
forma una unión PN. Se tendrá igualmente una unión PN cuando unamos mediante aleación dos
semiconductores de tipo P y N.
El razonamiento empleado para explicar el concepto de potencial de equilibrio también sirve en este caso. La
diferencia de concentraciones a uno y a otro lado de la unión provoca el efecto de difusión y como
consecuencia se forma progresivamente un campo eléctrico en las cercanías de la unión que se opone al
efecto de difusión. Con el tiempo, campo eléctrico y difusión se equilibran resultando en las proximidades de
la unión , una zona llamada “zona de transición” y un potencial de equilibrio llamado “potencial de
reposo”.Veamos todo esto de una forma mas detallada.
Consideremos una unión PN en el instante justo en que se han unido los semiconductores P y N sin que se
haya producido todavía el efecto de difusión.
Suponiendo que a temperatura ambiente todos los átomos de impureza están ionizados, hemos representado
los iones de la zona P como negativos, cuya carga está compensada por un hueco y los de la zona N como
positivos con su carga compensada por un electrón.
Los atomos ionizados estarán estadísticamente fijos en la red cristalina, mientras que los electrones y huecos
serán fácilmente desplazables.
Debido a la gran diferencia de concentración de portadores del mismo tipo entre una y otra zona , se producirá
el efecto de difusión, pasando los electrones de la zona N a la P y los huecos de la zona P a la N.
El traslado de huecos de la zona P a la N dejará en aquella átomos ionizados negativamente, esto es, sin
compensar, de la misma forma, el traslado de electrones de la zona N a la P dejará en la primera atomos
ionizados positivamente.
Con ello en la zona P se tendrá un exceso de cargas negativas y en la N de cargas positivas formándose un
campo electrico en las inmediaciones de la unión que se opone al efecto de difusión. Puesto que el exceso de
cargas negativas en la zona P dificultará progresivamente el traslado de huecos a la N y análogamente el
exceso de cargas positivas en la zona N hará cada vez mas difícil el paso de electrones a la P.
Los atomos ionizados mas cercanos a la unión tanto de una zona como de otra serán los primeros en quedar
desprovistos de sus portadores. Esto da lugar en las cercanias de la unión a una zona llamada Zona de
transición en la que solo existen atomos ionizados y no portadores de carga.
Cuando se alcanza el equilibrio, los efectos de campo y difusión se ajustan entre si para que la corriente neta
a través de la union sea nula.
Como consecuencia de la aparición del campo electrico interno en el semiconductor, se establece una
diferencia de potencial entre los dos extremos de la zona de transición que se denomina potencial de reposo y
suele ser de unas decimas de voltio. En el caso particular que la unión PN se haya formado por aleación, el
potencial de reposo se denomina también potencial de contacto. En cuanto a la zona de transición su anchura
es del orden de la longitud de onda de la luz visible (0,5 micras).
Esta zona supone una barrera contra la fluencia de huecos de la zona P a la N, por lo que solo pasarán
aquellos cuya energía sea mayor que la representada por la altura de la curva de potencial.
De igual manera supone una barrera para los electrones mayoritarios de la zona N puesto que, siendo su
carga de signo negativo se verán repelidos por un potencial menor.
Por otra parte el paso de los portadores minoritarios de ambas zonas a traves de la unión se ve facilitado por
el efecto de campo electrico. Con todo ello tenemos cuatro componentes de intensidad que atraviesan la
union :
-Ifp: corriente de huecos mayoritarias de la zona P con suficiente energia para superar la barrera de potencial
de la union y pasar a la zona N.
-Ifn: corriente de electrones mayoritarios de la zona N con suficiente energía para superar la barrera de
potencial de la unión y pasar a la zona P.
Ign: corriente de electrones minoritarios de la zona P ( debidos a agitación termica) y cuyo paso a la zona N se
ve facilitado por el efecto de campo electrico.
Igp: corriente de huecos minoritarios de la zona N( debidos a agitación termica) y cuyo paso a la zona P se ve
facilitado por el efecto de campo electrico.
Las corrientes Ifp y Ifn son del mismo signo ya que electrones y huecos se desplazan en sentidos contrarios
formando la corriente If=Ifp+Ifn. De igual manera las corrientes generadas por agitación termica se suman
dando como resultado Ig=Igp+Ign.
Puesto que ambas componentes If e Ig llevan sentidos opuestos y en circuito abierto la corriente total debe
ser nula, las cuatro corrientes anteriores tienen que compensarse dos a dos.
Así pues en ausencia del campo externo la unión PN ajusta los efectos de campo y difusión para que la
corriente resultante sea nula.
Veamos que ocurre en presencia de un campo eléctrico, es decir, cuando polarizamos la unión.
La unión PN polarizada. Polarización directa e inversa
Cuando se aplica una tensión externa entre los extremos de una unión P-N de forma que el potencial positivo
de Ue coincida con la zona P y el negativo con la N, la polarización recibe el nombre de directa y la unión se
comporta de manera que favorece el paso de la corriente.
Ello puede explicarse teniendo en cuenta que al aplicar una tensión externa del modo indicado , los huecos de
la zona P y los electrones de la zona N son repelidos hacia la zona de transición por el terminal positivo y
negativo respectivamente. Todo ello supone una afluencia de portadores de carga desde ambos lados hacia
la unión que la hacen mas estrecha y conductora. El campo creado por Ue es del sentido contrario al que se
origina en el interior de la union provocando la disminución de la barrera de potencial frente a la de equilibrio
sin polarizar.
Esta disminución de la barrera de potencial supone una afluencia de portadores mayoritarios de ambas zonas
hacia la unión. Como consecuencia, las corrientes de portadores mayoritarios If aumentan en tal grado que las
Ig de minoritarios pueden despreciarse.
En definitiva con la polarizacion directa la union facilita el paso de la corriente, aumentando sustancialmente
las corrientes de mayoritarios menos dependientes de la temperatura que las de minoritarios.
Cuando de manera opuesta a la de anterior, polarizamos un cristal PN de forma que el terminal positivo esté
en N y el negativo en P se dice que está en inverso.
Este tipo de polarización introduce cambios en la anchura de la zona de transición y en el valor del potencial
de equilibrio que llevan a la union PN a comportarse de manera que bloquea el paso de la corriente. Este
hecho puede explicarse del siguiente modo.
El campo externo explicado en bornas de la union PN obliga a los electrones y huecos de la zona de
transición a salir de ella. Los huecos se desplazaran hacia la zona N al ser atraídos por el potencial negativo y
los electrones a la zona P por ser arrastrados por el potencial positivo.
Con ello, la zona de transición quedará desprovista en parte de electrones y huecos que puedan actuar como
portadores de carga, haciendose menos conductora y mas ancha. Este hecho modifica la distribución de
carga espacial.
La barrera de potencial de la unión queda aumentada en la tensión externa debido a que el campo electrico
creado por Ue es del mismo sentido que el originado interiormente en la zona de transición.
Este aumento en el potencial de barrera supone una disminución de las componentes Ifp e Ifn de portadores
mayoritarios, puesto que la energia que deben alcanzar para superar esta barrera es mucho mayor que la
necesaria en el equilibrio sin polarizar.
Como consecuencia las componentes de mayoritarios se hacen despreciables frente a las componentes Igp e
Ign de minoritarios. Estas ultimas son poco dependientes de la altura de la barrera de potencial por ser debida
a la rotura de los enlaces covalentes como consecuencia del efecto termico y por tanto, dependientes de la
temperatura.
En definitiva, tal y como hemos polarizado la unión esta solo deja pasar una pequeña corriente llamada de
saturación que depende casi con exclusividad de la temperatura.
Utilidad de las uniones
Las características de las uniones PN tienen su principal aplicación en la fabricación de diodos, que son
dispositivos con una unión PN cuya principal función es la de conducir un flujo de corriente cuando la
polarización es directa y bloquearla cuando está en inversa.
Esta propiedad tambien se utiliza para rectificar corriente alterna a continua, con un diodo conectado en serie
para media onda o un “puente de diodos” conectado a la entrada del circuito para rectificar la onda completa.
Tambien se puede aprovechar la tensión de avalancha (tensión máxima de polarización inversa) para fabricar
diodos especiales denominados zener, cuya característica es que la tensión de polarización inversa
permanece constante al variar la intensidad del catodo al ánodo en un determinado valor de fabricación, esta
peculiaridad es util para construir estabilizadores de tensión.
Los diodos foto-emisores son diodos con un semiconductor de arseniuro de galio, que se caracteriza por
desprender energía en forma de radiación, esté o no en el espectro visible.
Los fotodiodos crean pares electrón-hueco al incidir la luz sobre ellos, transformándose la radiación en
corriente.
Los transistores mas populares son dos uniones en serie que pueden ser de tipo PNP o NPN. Su cualidad es
que al fluir una corriente desde la unión central P a la unión tipo N (ejemplo de tipo NPN), fluye una intensidad
mucho mayor desde la otra unión N hacia la N anterior de forma proporcional a la intensidad que insertemos.
Con esta propiedad podemos construir amplificadores de tensión o de corriente.
Biliografia utilizada:
Componentes electrónicos - A. Arnau Vives y J.M. Ferrero Corral
Universidad politécnica de Valencia
Electrónica Analógica - L. Cuesta, A. Gil Padilla y F. Remiro
Mc Graw Hill
Principios de electrónica - Malvino
McGraw Hill
CircuitMaker 2000 es una suite de exploración de diseño que contiene todas las herramientas
necesarias para la creación y la simulación rápidas y fáciles de diseños electrónicos dentro de un
solo producto.
CircuitMaker 2000 incluye todas las características avanzadas necesarias para mover su laboratorio
electrónico virtual al campo profesional, permitiendole una rápida y facil captura, modelar y hacer
prototipos de sus diseños con la integración de entrada esquemática, simulación de mezcla de
señal y diseño PCB, edición y autoruteo.
CircuitMaker 2000 es ideal para los diseñadores que estén buscando probar nuevos conceptos en
un ambiente de mundo real y generar rápidamente tarjetas prototipo.
Datos:
Tamaño: 10503 KB (10MB aprox.)
Version: 2000
Licencia: Incluida en la descargarServidor: Rapidshare
Uploader: Warm15
4.- Implantación iónica
La implantación ionica es una técnica para introducir impurezas en el sustrato cristalino, por bombardeo
directo de átomos ionizados de impurezas que se aceleran por medio de un campo eléctrico muy grande. Para
delimitar las áreas de bombardeo se realiza un largo y delicado proceso llamado fotolitografia. Aquí mostramos
un pequeño resumen de este proceso.
Fotolitografia exposición de fotorresina b) fotorresina de revelado, c) dióxido de silicio grabado d) ventana en
el dióxido de silicio.
5.- Difusión térmica
Es un método mediante el cual las impurezas se difunden en forma de gas a una temperatura elevada sobre el
sustrato introduciéndose así en él y dopando el material.
a)ventana de dióxido de silicio, b) corte transversal antes de la difusión c) corte transversal después de la
difusión de impurezas tipo p
.- Unión de aleación
Es un proceso mediante el cual se parte de un material semiconductor sobre el que se coloca un material
dopante y se calienta el conjunto hasta que reaccionan los dos materiales
a) aleación de aluminio sobre silicio tipo n b) fusión de a) c) sección transversal después del proceso
En este momento se puede hacer una clasificación según sea el tipo de material semiconductor:
-Semiconductor intrínseco, es un semiconductor puro, es decir, no ha sido dopado con impurezas ni aceptoras
ni donadoras lo que quiere decir que su estructura cristalina es totalmente homogénea.
-Semiconductor extrínseco, es un material semiconductor puro al que se le introducen de forma controlada
(dopado) impurezas donadoras (átomos que ceden electrones libres) o impurezas aceptoras (átomos que
“generan” un hueco)
Material semiconductor (Si) dopado con impurezas donadoras (P)
Cada átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia. Se requieren dos para formar el enlace covalente. En
el silicio tipo n, un átomo como el del fósforo (P), con cinco electrones de valencia, reemplaza al silicio y
proporciona electrones adicionales. En el silicio tipo p, los átomos de tres electrones de valencia como el
aluminio (Al) provocan una deficiencia de electrones o huecos que se comportan como electrones positivos.
Los electrones o los huecos pueden conducir la electricidad.
Silicio tipo P y silicio tipo N separados
Se pueden introducir ahora algunas características importantes de la union semiconductora :
- Concentración volumétrica de portadores libres, esta cantidad es la que indica si el material tratado es
conductor, semiconductor o aislante
- La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una
diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes.
- La movilidad, es la capacidad que tienen los portadores de carga para desplazarse dentro del material
semiconductor. Esta propiedad varia con la temperatura de forma inversamente proporcional. La ecuación que
une estas definiciones es:
Donde - σ es la conductividad expresada en (1/Ω cm)
- c es la concentración volumétrica en cm-3
- q es la carga del electrón que es 1.6x 10-19 C
- μ es la movilidad de los portadores en cm2 / Vs
A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas
temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede
aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales.
Antes de definir las ecuaciones que relacionan todos estos conceptos de dopado, es importante definir unos
conceptos básicos para la correcta interpretación del funcionamiento interno del material.
-Portadores mayoritarios y portadores minoritarios, en el caso de un semiconductor tipo n, los electrones son
mayoritarios y los huecos son minoritarios, y al contrario sucederá en un semiconductor tipo p.
Semiconductor tipo n:
n = p + N+D ≅ p + ND
- en el caso de dopado tipo n la concentración de impurezas será mucho mayor que la concentración
intrínseca del material luego : n ≅ ND
De forma idéntica se obtiene para el semiconductor tipo p: p ≅ NA
n – numero de electrones libres
p – numero de huecos
NA concentración de impurezas aceptoras en el semiconductor
ND concentración de impurezas donadoras en el semiconductor
N+D concentración de impurezas donadoras ionizadas
En un semiconductor intrínseco se tiene la misma cantidad de electrones que de huecos, por lo tanto:
n = p = ni , donde ni es la concentración intrínseca del material
7.- Introducción a la unión p-n
diodo pn corte transversal
Justo a partir de este momento sen van a unir un semiconductor tipo n con uno tipo p, lo que dará lugar a una
unión p-n que es lo que se muestra a continuación:
Silicio tipo p y silicio tipo n unidos.- UNIÓN p-n en equilibrio
Una vez producida la unión de los dos semiconductores, los electrones libres del semiconductor tipo n, cruzan
la unión y se recombinan con los huecos libres del semiconductor tipo p, así mismo, los huecos libres del p
pasan al n para recombinarse. En este proceso de unión de semiconductores extrínsecos, existirán las
siguientes corrientes de recombinación: la de electrones que pasa de n a p, y la de huecos del p al n. Una vez
conseguido el equilibrio, estas corrientes ya no existirán teniendo por tanto una corriente nula.
Según este proceso, la zona n próxima a la unión ha perdido electrones y por tanto queda cargada
positivamente. De igual forma la zona p próxima a la unión ha perdido huecos, con lo que queda cargada
negativamente.
Al quedar la zona n próxima a la unión cargada positivamente, rechazará a los huecos de la zona p que
quieren atravesar la unión. Exactamente igual la zona p próxima a la unión impedirá el paso de los electrones
provenientes de la zona n, es decir llegamos a la conclusión anterior de una unión en equilibrio.
A esta zona próxima a la unión metalúrgica en ambos semiconductores se le denomina zona de transición y es
donde se producen los cambios de potencial de una zona a otra, donde se acumula la carga eléctrica, y donde
se crea el campo eléctrico.
Existen varios tipos de uniones para los dos tipos de semiconductores, se deben tener en cuenta los estos
tipos de uniones según su perfil de concentración de impurezas. Se pueden dar;
Union abrupta a)
Union lineal o gradual b)
Union real c)
En las siguientes figuras se muestra una unión p-n con sus concentraciones a ambos lados de la unión, así
como también los tres tipos de uniones que se pueden dar. Aquí se debe observar que tanto la unión a) como
la b) son aproximaciones teóricas a la real c) utilizadas para el estudio teórico
Concentración de impurezas en una unión p-n
Tipos de uniones a) unión abrupta b) unión gradual c) unión real
En la mayoría de los casos se hace un estudio de la unión abrupta o de la gradual de la unión p-n.
.- Polarización de la unión p-n
Una unión p-n se puede polarizar en directa (V?0) o en inversa (V?0). Como se puede ver en las siguientes
graficas
Polarizaciones de la unión a) directa b) inversa
Según este polarizada la unión variarán sus características de una forma u otra. A continuación se hace un
breve resumen de los fenómenos que ocurren al polarizar tanto en directa como en inversa, además de
introducir algunos nuevos conceptos.
Polarización en directa
Como se puede apreciar en la fig. 5 existe una diferencia de potencial entre las dos partes del semiconductor,
a este potencial se le denomina potencial de contacto.
Cuando polarizamos en directa (V?0), se esta aplicando un campo externo opuesto al interno lo que tiene
como consecuencias:
Aumenta enormemente el flujo de portadores mayoritarios lo que trae consigo un aumento considerable de la
corriente eléctrica.
Se reduce el potencial de contacto (en la medida que se aplica el potencial externo), estareducción implica una
reducción también en la zona de vaciamiento.
Zona de transición y potencial de contacto
Polarización en inversa
Cuando se polariza en inversa (V<0), ocurre exactamente lo contrario, es decir , incrementamos el campo
interno con respecto al equilibrio luego:
- En este caso la corriente viene determinada por los portadores minoritarios dando como resultado una
corriente, por la unión, mucho menor.
- También ocurre lo contrario en polarización directa en el caso del potencial de contacto, ya que ahora
aumenta produciendo un aumento de la zona de vaciamiento.
9.- Características I-V de la unión p-n
Por último, para poder introducir finalmente el diodo de unión y sus tipos correctamente, se debe dar a
conocer la característica tensión-corriente de una unión semiconductora, además de una serie de conceptos
que se utilizaran en una explicación posterior de diodos y transistores.
La característica I-V de una unión se representa a continuación:
Característica I-V teórica de una unión p-n
Esta característica viene definida por la ecuación:
I = Is [exp(V·q/K·T)]
Donde:
KT/q = 0.026 V
Is es la corriente inversa de saturación, esta depende de varios aspectos de la unión y de su fabricación Y
depende fuertemente de la temperatura.
V es la denominada tensión umbral y que se define como la tensión a partir de la cual se obtienen tensiones
significativas.
10.- Introducción a la obtención de silicio cristalino
A continuación se muestran los pasos a seguir para la obtención de obleas de silicio cristalino
Silicio cristalino y obleas