Electrónica I
Ingeniería Civil Electrónica
Física de los semiconductores
Ingeniería Civil Electrónica
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Conductores
Se les llama conductores a aquellos materiales que poseen muy baja resistencia al paso
de corriente eléctrica por el (muy buena conductividad), estos materiales poseen un
gran número de electrones (potencialmente electrones libres) que pueden moverse
fácilmente de átomo en átomo con muy poca energía externa. Los elementos
conductores tienen entre 1 y 2 electrones en la órbita de valencia (la más alejada del
núcleo). Todos los metales son buenos conductores. Algunos ejemplos de buenos
conductores son: la plata, el cobre, el aluminio, el oro, etc.
Plata:47
(2,8,18,32,1)
Electrón de
valencia
(electrón 47)
El término valencia se utiliza para
indicar que la energía requerida para
remover cualquiera de estos electrones
de
la
estructura
atómica
es
significativamente más bajo que el
requerido para cualquier otro electrón en
la estructura.
Los conductores poseen
entre 1-2 electrones en su
orbita de valencia.
Configuración electrónica
de la plata
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Electrón de valencia
(electrón 29)
Cobre: 29
Oro:79
Electrón de
valencia
(electrón 79)
(2,8,18,32,18,1)
(2, 8, 18, 1)
+ 29
cobre
oro
Hierro: 26
Electrónes de valencia
(electrón 25 y 26)
(2, 8, 14, 2)
hierro
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Niveles de energía
Dentro de la estructura atómica de cada átomo aislado hay niveles específicos de energía
asociados con cada capa y electrón en órbita. Los niveles de energía asociados con cada
capa son diferentes según el elemento de que se trate. Sin embargo, en general:
“Cuanto más alejado está un electrón del núcleo, mayor es su estado de
energía.
Cualquier electrón que haya abandonado a su átomo tiene un estado de
energía mayor que los electrones que siguen en el átomo”
Electrón de valencia alto
nivel energético
Electrón con bajo nivel
energético
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Bandas de energía
Según la teoría de bandas, un electrón que se encuentre en la órbita de valencia
necesita cierta cantidad de energía aplicada de manera externa para poder saltar
hacia la banda de conducción.
Un electrón libre tiene mayor energía que un electrón de la banda de conducción. La
energía necesaria para sacar a un electrón de su orbita de valencia, depende del tipo
de material.
Energía
Nivel energético banda
de conducción
- Electrón libre
ΔE
Nivel energético de la
banda de valencia
Energía externa aplicada
La separación de las bandas de energía explica por qué ciertos
materiales son mejores conductores de electricidad que otros.
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Bandas de conducción y valencia de un
aislante, un semiconductor y un conductor.
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Aislantes
Se les llama aislantes a aquellos materiales cuyos electrones están fuertemente ligados
al núcleo, y por lo tanto son incapaces de desplazarse por el interior y
consecuentemente, conducir electricidad (poseen alta resistencia). Buenos aislantes
son por ejemplo: los plásticos, la mica, la porcelana, el poliéster, el vidrio, el caucho, el
aire, etc.
En un dieléctrico los electrones
están fuertemente unidos a su
núcleo por lo que se necesita
aplicar mucha energía para que
los electrones de valencia entren
en la banda de conducción.
Argon: 18
(2, 8, 8)
Madera
Vidrio
Aire
Espuma
Goma
Cerámica
Corcho
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Semiconductores usados en los dispositivos electrónicos
Los semiconductores son una clase especial de elementos cuya
conductividad se encuentra entre la de un buen conductor y la de un
aislante. Los semiconductores más utilizados por la industria electrónica
son el Silicio (Si), el Germanio (Ge) y el compuesto Galio-Arsénico (GaAs).
Silicio y Germanio,
átomos tetravalentes
Galio átomo
trivalente
Arsénico átomo
pentavalente
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Semiconductores Intrínsecos y Extrínsecos
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MATERIALES INTRÍNSECOS
Es cualquier material semiconductor que haya sido cuidadosamente refinado
(material casi puro) para reducir el número de impurezas a un nivel muy bajo; en
esencia, lo más puro posible que se pueda fabricar utilizando tecnología actual.
Cristal de Silicio
Es un material eléctricamente neutro
Enlace
covalente
En un cristal de silicio o germanio
intrínseco, los cuatro electrones de
valencia de un átomo forman un arreglo
de
enlace
con
cuatro
átomos
adyacentes. (regla del octeto)
A
temperatura
ambiente
hay
alrededor de 15.000.000.000 (quince mil
millones) de electrones libres en un 1
cm³de material de silicio intrínseco.
Los niveles de impureza actuales
pueden alcanzar 1 parte en 10 mil
millones.
Enlace covalente: corresponde a la unión reforzada de dos átomos que ocurre
como resultado del compartir uno o más pares de electrones, para intentar
llegar alcanzar la estabilidad (regla del octeto). La regla del octeto dice que un
átomo tiene ocho electrones en su capa de valencia es muy estable.
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Enlace
covalente
Cristal
compuesto de
Galio-Arsénico
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MATERIALES EXTRÍNSECOS
Material extrínseco se conoce al semiconductor relativamente puro, que ha sido
sometido al proceso de dopado, es decir el proceso de adición de átomos de impureza
específicos.
“Hay dos materiales extrínsecos de inmensurable importancia en la
fabricación de dispositivos semiconductores: materiales tipo n y tipo p”
Tipo N
Un material tipo N se crea introduciendo elementos de impureza que contienen cinco
electrones de valencia (pentavelantes), como el antimonio, el arsénico y el fósforo.
Los cuatros enlaces covalentes permanecen
Quinto electrón del antimonio (Sb), queda
enlazado débilmente a su átomo padre, está en
cierto modo libre para moverse dentro del material
tipo n formado.
El material sigue siendo eléctricamente neutro,
pero aumenta su conductividad (aumenta la cantidad
de portadores libres), si el dopado es 1 en 10
millones la concentración de portadores aumenta
unas 100.000 veces.
Las impurezas difundidas con cinco electrones de
valencia se conocen como átomos donadores.
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Tipo P
El material tipo P se forma dopando un cristal de germanio o silicio puro con átomos de impureza que
tienen tres electrones de valencia. Los elementos más utilizados para este propósito son boro, galio e
indio.
Número de electrones insuficientes
completar las bandas covalentes
para
El vacío resultante se llama hueco y se denota
con un pequeño círculo o un signo más, para indicar
la ausencia de un electrón.
El vacío resultante aceptará con facilidad un
electrón libre.
El material sigue siendo eléctricamente neutro.
Las impurezas difundidas con tres electrones de
valencia se conocen como átomos aceptores.
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Flujo de electrones contra flujo de huecos
El efecto del hueco en la conducción se muestra en la figura. Si un
electrón de valencia adquiere suficiente energía cinética para romper su
enlace covalente y llenar el vacío creado por un hueco, entonces se creará
un vacío o hueco en la banda covalente que cedió el electrón.
Un semiconductor puede conducir
electricidad.
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Portadores mayoritarios y minoritarios
En el estado intrínseco, el número de electrones libres en Ge o Si se debe sólo a
los electrones en la banda de valencia que adquirieron suficiente energía de
fuentes térmicas o luminosas para romper la banda covalente o a las impurezas
que no pudieron ser eliminadas. Los vacíos que quedan en la estructura de enlace
covalente representan una fuente muy limitada de huecos. En un material tipo n,
el número de huecos no cambia significativamente con respecto a este nivel
intrínseco. El resultado neto, por consiguiente, es que el número de electrones
sobrepasa por mucho al de huecos. En el material tipo p el número de huecos
excede por mucho al de electrones.
Tipo P
En un material tipo P el
electrón se llama portador
minoritario y el hueco
portador mayoritario.
Tipo N
En un material tipo n el
electrón se llama portador
mayoritario y el hueco
portador minoritario
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