Semiconductores

Dopaje de Semiconductores

Para aumentar la conductividad de un semiconductor, existen dos opciones:

  1. Aplicar una tensión de valor superior (insuficiente).
  2. Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exterior (Dopaje).

Se elige la segunda opción, el dopaje, que consiste en sustituir algunos átomos de Silicio (Si) por átomos de otros elementos (impurezas). Dependiendo de la impureza, existen dos tipos de semiconductores:

Semiconductor Tipo P

Si en una red cristalina de Silicio, sustituimos un átomo por otro con 3 electrones en su capa exterior, estos electrones llenarán 3 de los 4 enlaces del Silicio, dejando un hueco libre. (Ver diagrama)

Semiconductor Tipo N

Si sustituimos un átomo de Silicio por otro con 5 electrones en su capa exterior, 4 electrones formarán enlaces con la red, quedando el quinto electrón libre. Las impurezas más usadas son: Arsénico, Antimonio y Fósforo. Un semiconductor dopado tipo N, al aplicarle tensión, tiene mayor probabilidad de conducir corriente que uno intrínseco o puro.

Diodos

En el tipo N, el átomo con un electrón libre se convierte en un ion positivo.

En el tipo P, el átomo con un hueco libre se convierte en un ion negativo.

Polarización Directa

  1. Sin polarización: La barrera de potencial interna se reduce al aplicar una tensión externa de signo contrario. Si la tensión externa es suficiente, la barrera desaparece y los electrones de la zona N pueden pasar a la zona P, y los huecos de la zona P a la zona N.
  2. Polarización directa débil: La región agotada se reduce, pero no se elimina.
  3. Al aumentar la polarización directa: La zona agotada y su barrera de potencial interna se neutralizan.

Un diodo se fabrica con una única pieza de Silicio, dopando cada lado con impurezas tipo P y tipo N. La tensión umbral es la tensión externa que anula la barrera de potencial: Si (0.4 – 0.5V), Ge (0.05 – 0.06V). Al aplicar una tensión superior a la tensión umbral, los electrones son atraídos por el polo positivo y los huecos por el negativo, generando una corriente. La tensión de saturación es aquella a partir de la cual la corriente se mantiene constante: Si (0.8 – 0.9V), Ge (0.15 – 0.2V). Superar la tensión de saturación puede destruir el diodo.

Fundamentos del Diodo

Curva característica: Con polarización directa, los electrones aumentan su velocidad y generan calor al chocar con los átomos, aumentando la temperatura y la conductividad del diodo.

Diodo Zener

Un diodo Zener trabaja en polarización inversa, específicamente en la zona de ruptura. La tensión de ruptura depende de las características del diodo (2 a 200V).

Efecto Zener

El efecto Zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que generan campos eléctricos que rompen los enlaces entre los átomos, liberando electrones y permitiendo la conducción. La tensión en bornes del diodo se mantiene constante una vez alcanzado el valor de su tensión inversa nominal.

Características del Diodo Zener:
  • Tensión Zener: Tensión de polarización inversa que el Zener mantiene constante.
  • Corriente mínima de funcionamiento: Corriente mínima necesaria para que el Zener mantenga la tensión constante.
  • Potencia máxima de disipación: Indica la corriente máxima que puede soportar el Zener.

Diodo Schottky

A diferencia del Zener, tiene una unión metal-semiconductor. Se caracteriza por su velocidad de conmutación y baja caída de voltaje en polarización directa. Se acerca más al diodo ideal, pero no se puede usar en aplicaciones de potencia debido a su baja capacidad de conducción de corriente y poca tolerancia a altos voltajes inversos. Se utiliza en circuitos de alta velocidad, como computadoras.

Contacto Rectificador: Diodo de Barrera Schottky

Se crea mediante el contacto de un metal con un semiconductor. La corriente se debe al flujo de portadores mayoritarios.

Comparación entre Diodo Schottky y Diodo de Unión PN

Los diodos Schottky tienen ventajas sobre los diodos de unión PN, como mayor velocidad de respuesta y menor tensión de umbral (0.2 – 0.3V).

Contacto Óhmico

Son contactos metal-semiconductor sin efecto rectificador, permitiendo la interconexión de dispositivos electrónicos con el exterior. Idealmente, la corriente es una función lineal del potencial aplicado.

LED (Light Emitting Diode)

Utilizados como indicadores y dispositivos de presentación numérica. Proporcionan luz en diferentes colores: rojo, azul y verde. Los materiales semiconductores utilizados son: GaP (rojo-verde), GaAsP (roja-anaranjada-amarilla), GaAlAs (roja), ZnS, ZnSe (azul).

Principio Físico

Basado en la teoría de bandas. Una tensión externa aplicada a una unión PN polarizada directamente excita los electrones, permitiéndoles atravesar la banda de energía. Si la energía es suficiente, los electrones escapan en forma de fotones.

Teoría de Bandas

En un cristal, los niveles energéticos de los átomos se desdoblan en bandas, separadas por bandas prohibidas. En los aislantes, la banda de valencia está llena y la de conducción vacía, separadas por una banda prohibida ancha. En los conductores, las bandas se superponen. Los semiconductores tienen una banda prohibida pequeña. En los LEDs, los electrones saltan fuera de la estructura en forma de fotones.

Tipos de LEDs

Existen diferentes tipos de LEDs según su color y composición:

  • LED rojo: GaP o GaAsP.
  • LED anaranjado y amarillo: GaAsP con mayor contenido de fósforo.
  • LED verde: GaP con trampa isoelectrónica de N2.

Criterios de Elección

  • Dimensiones y color.
  • Ángulo de vista.
  • Luminosidad.

Estructura de un LED

Compuesto por un material semiconductor encapsulado en plástico translúcido o transparente. El electrodo interno más pequeño es el ánodo (+) y el más grande el cátodo (-).

Consideraciones

La luminosidad del LED aumenta con la corriente, pero hay que tener en cuenta la corriente máxima permitida. La caída de tensión y la corriente máxima/media varían según el color del LED.

Efecto Gunn

Propiedad del cuerpo de los semiconductores, no depende de la unión PN. Presente en el Arseniuro de Galio (GaAs) tipo N. Se produce una resistencia negativa cuando se aplica una tensión continua mayor a 3.3V/cm. Puede utilizarse como oscilador.

Resistencia Negativa

En el GaAs tipo N, una elevación de la tensión causa una disminución de la corriente debido al salto de los electrones a una banda de energía más alta.

Transistores Bipolares

Constan de tres regiones: emisor, base y colector. La base está entre el emisor y el colector y tiene un bajo dopaje. El colector rodea al emisor. Funcionan como amplificadores o interruptores.

Transistor NPN

Aproximadamente el 1% de los electrones se recombinan en la base y el 99% llega al colector.

Transistores de Efecto de Campo (FET)

Tienen tres terminales: compuerta, fuente y drenaje. La compuerta controla el flujo de electrones. Los electrones fluyen de la fuente al drenaje.

Transistores MOS

Utilizados en puertas lógicas y memorias semiconductoras.

Tiristores (Diodo Shockley)

Consta de dos terminales: ánodo y cátodo. Formado por cuatro capas semiconductoras (PNPN). Actúa como interruptor, se cierra al alcanzar una tensión directa determinada y se abre cuando la corriente cae por debajo de un valor específico. Utilizados en circuitos de potencia.