Semiconductores

Análisis Físico:

Los Semiconductores son materiales que poseen propiedades intermedias de conducción.

Para comprender mejor esta definición es necesario recordar la clasificación de los

elementos según su capacidad de conducción; en la naturaleza encontramos materiales

Conductores, Aislantes y Semiconductores, pero ¿cuales son las características físicas

que diferencian a cada uno de ellos?.

Para responder a esta inquietud, es necesario

ahondar un poco mas en el estudio de la física de los componentes, los materiales que

encontramos en nuestro medio son la combinación ordenada o estructurada de una serie

de elementos conocidos como átomos, estos se unen entre sí para formar las moléculas y

la unión de estas forma a la vez los diferentes elementos de la naturaleza.

Es imprescindible para el hombre formularse esquemas de cómo funcionan los eventos

de la naturaleza, por ello hemos creado los modelos. Durante el estudio del átomo,

muchos científicos han tratado de explicar como esta formado y ordenado este, existen

muchas teorías algunas de las cuales se contradicen; se pueden citar algunos modelos:

Modelo Atomico de Dalton, Rutherford, Bohr y Schrödinger.

Los semiconductores mas empleados para la fabricación de circuitos integrados son

Silicio y Germanio, Estos átomos se unen entre si formando una red cristalina, de enlaces coovalentes como se ve en la Figura

Red Cristalina del Silicio y Germanio

El Silicio es un material que posee 14 electrones de los cuales cuatro se localizan en la

ultima capa o banda de valencia. Estas capas o bandas son niveles de energía en donde se

encuentran confinados los electrones, para pasar de una banda a otra los electrones

necesitan emitir o absorber un fotón de luz o energía. Los niveles superiores requieren de

menor energía y los niveles inferiores requieren de mas trabajo para sacar o introducir un

electrón. El la Figura se muestra el proceso de emisión y absorción de fotones.

Los átomos de silicio se unen entre sí para formar una estructura más estable, esas

uniones se conocen como enlaces covalentes; sin embargo como estos átomos se

encuentran en la capa de valencia requieren de muy poca energía para ser sacados al

nivel de conducción, en donde los electrones tienen un movimiento aleatorio el cual es

principio de la generación de corriente en los semiconductores.

Los materiales Semiconductores se clasifican de acuerdo a su pureza, tenemos materiales Intrínsecos y

materiales Extrínsecos.

Los materiales intrínsecos, son los que no tienen impurezas o

átomos diferentes.

Los materiales extrínsecos poseen impurezas o átomos diferentes a su

naturaleza.

los materiales intrínsecos por si solos no poseen suficientes características

eléctricas para producir niveles de corriente considerables, por lo tanto se dopan de otros

elementos para aumentas sus ventajas.

Electrones Libres y Huecos

Los enlaces covalentes que fijan los electrones de valencia a los átomos internos de los

semiconductores son más fuertes que los conductores pero más débiles que los aislantes.

Cuando una red cristalina adquiere energía térmica algunos de estos enlaces se rompen.

Los electrones que se liberan de la atracción de su núcleo se convierten en electrones de

conducción los cuales están libres para desplazarse en respuesta a un campo eléctrico. El

hueco es ese espacio que deja un electrón cuando se desplaza de un nivel a otro.

A ESTE FENÓMENO SE DENOMINA AGITACIÓN TÉRMICA

Al igual que los electrones los huecos tienen un movimiento aleatorio pero también son afectados

por los campos eléctricos. El movimiento de los huecos se puede considerar

matemáticamente como el movimiento de una partícula cargada positivamente y con

masa ligeramente superior al electrón.

Materiales Tipo N

Un material semiconductor tipo N se produce introduciendo impurezas con valencia de 5

electrones, tales como el antimonio o el fósforo dentro de la estructura del cristal.

En equilibrio térmico los electrones del átomo de impureza comparten enlaces con los electrones del silicio, quedando un electrón libre, se requiere solo una pequeña cantidad de energía para liberar estos electrones donadores los cuales una vez liberados de sus

átomos se comportan en forma similar a los electrones libres de un metal.

Materiales Tipo P

Un material semiconductor tipo P se produce introduciendo impurezas aceptadoras de valencia 3 como el Boro o el Indio, por cada átomo de impureza hay un electrón de silicio sin compañero; es decir tiene un nivel de baja energía, lo cual lo predispone a capturar cualquier electrón que pase; cuando la red cristalina adquiere energía térmica algunos electrones vecinos son capturados (aceptado) por un átomo de impureza, esto

crea un ion negativo inmóvil en la red cristalina y deja solo un electrón en el enlace covalente.

La Unión PN

Para dar una utilidad al semiconductor es necesario poner a interactuar entre sí diversos

materiales, la estructura más sencilla es el Diodo de Unión la cual no es mas que la unión dos

semiconductores de distintos tipo, uno tipo N y otro tipo P

Tenemos un material semiconductor (Silicio o

Germanio) dopado tipo N con exceso de electrones y un material dopado tipo P con exceso de

huecos, los cuales cuando se encuentran aislados están en equilibrio iónico.

Ahora unimos ambas partes...

Curva característica del diodo

• • Tensión umbral, de codo o de partida (V_γ ).

  • La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.

  • Corriente máxima (I_max ).

  • Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.

  • Corriente inversa de saturación (I_s ).

  • Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la

formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.

• • Corriente superficial de fugas.

  • Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.

  • Tensión de ruptura (V_r ).

  • Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.

Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede deberse a dos efectos:

Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.

Polarización directa de un diodo

En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.

Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:

• • El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.

  • El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.

  • Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.

  • Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.

De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.

Polarización inversa de un diodo

En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:

• • El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.

  • El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p (Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco). El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.

  • Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.

En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable.

ENCAPSULADOS DE ALGUNOS TIPOS DE DIODOS

NOMENCLATURA DE SEMICONDUCTORES

CÓDIGO AMERICANO

JEDEC (Joint Electronic Device Engineering Council): Consejo Conjunto de Ingeniería de Dispositivos Electrónicos. Es el principal desarrollador de estándares para la industria de estado sólido. Casi 2500 participantes, designados por unas 270 compañías trabajan juntas en 50 comités donde evalúan las necesidades de cada segmento de la industria, de los fabricantes e igualmente de los consumidores . Las publicaciones y los estándares que generan se aceptan en todo el mundo.

Estándar: digito, letra, serial, sufijo (opcional)

Ejemplo: 2N2222A, 2N3904,

Digito: El numero designa el tipo de dispositivo

1: Diodo

2: Transistor Bipolar

3: Transistor de efecto de campo FET

4: Optoacoplador

5: Optoacoplador

Letra: Se usa siempre la N

Serial: El número de serie se sitúa entre el 100 y el 9999 y no dice nada sobre el dispositivo, salvo su fecha aproximada de introducción.

Sufijo (opcional): indica la ganancia (hfe) genérica del dispositivo:

A: Ganancia baja

B: Ganancia media

C: Ganancia alta

CÓDIGO JAPONÉS

JISC (Japanese Industrial Standard committee): Es un comité encargado de realizar estándares para la industria japonesa.

Estándar: digito, dos letras, numero de serie, sufijo (opcional)

Ejemplo: 2SA1187, 2SB646

Digito: El numero designa el tipo de dispositivo

1: Diodo

2: Transistor Bipolar

3: Transistor de efecto de campo FET

2 letras: Las letras especifican el área de aplicación

SA: PNP HF transistor

SB: PNP AF transistor

SC: transistor NPN HF

SD: transistor NPN AF

SE: Diodos

SF: Tiristores

SG: Dispositivos de disparo

SH: UJT

SJ: FET/MOSFET canal P

SK: FET/MOSFET canal N

SM: Triac

SQ: LED

SR: Rectificador

SS: diodo de señal

ST: diodo de avalancha

SZ: diodo zener

El número de serie: varia entre 10 y 9999.

El sufijo (opcional): indica que dicho tipo está aprobado para el empleo por varias organizaciones japonesas.

CÓDIGO EUROPEO

PRO ELECTRON: organización europea para el registro del tipo numeración para los componentes electrónicos activos, que ahora hace parte del la asociación europea del fabricantes de componentes electrónicos (EECA: European Electronic Component Manufacturers)

Estándar: dos letras, letra (opcional), numero de serie

Ejemplo: BC108A, BAW68, BF239

Primera letra: especifica el material semiconductor empleado

A: Germanio

B: Silicio

C: Arseniuro de galio

R: Materiales compuestos

Segunda letra: especifica el tipo de dispositivo

A: Diodo de bajo poder o baja señal

B: Diodo de capacitancia variable (varicap)

C: transistor, de audio frecuencia (AF), pequeña señal

D: transistor, AF, potencia

E: Diodo tunel

F: transistor, alta frecuencia (HF), pequeña señal

K: Dispositivo de efecto Hall

L: Transistor, HF, potencia

N: Optoacoplador

P: Fotorreceptor

Q: Emisor de luz

R: Dispositivo de conmutación, baja potencia, ej: tiristor, diac, UJT etc

S: Transistor, conmutación de baja potencia

T: Dispositivo de conmutación, potencia, ej: tiristor, triac, etc.

U: Transistor de potencia, conmutación

W Dispositivo de onda acústica de superficie (SAW)

Y: Diodo rectificador

Z: Diodo zener

Tercera letra (opcional): La tercera letra indica que el dispositivo está pensado para aplicaciones industriales o profesionales, más que para uso comercial. suele ser una W, X, Y o Z.

Numero de serie: varia entre 100 y 9999

CÓDIGOS PARTICULARES DE EMPRESAS

Fuera de estos estandares hay fabricantes que introducen su propia nomenclatura por razones comerciales (ej. para poner las iniciales de su compañía en el código) o para enfatizar que este componente se usara para aplicaciones especificas.

Los prefijos más comunes son:

MJ: Motorola potencia, cápsula de metal

MJE: Motorola potencia, cápsula de plástico

MPS: Motorola baja potencia, cápsula de plástico

MRF: Motorola HF, VHF y transistores microondas

RCA: RCA

RCS: RCS

TIP: Texas Instruments transistor de potencia (cápsula de plástico)

TIPL: TI transistor de potencia plano

TIS: TI transistor de pequeña señal (cápsula de plástico)

ZT: Ferranti

ZTX: Ferranti

Muchos fabricantes también producen series a medida para un gran volumen destinado a determinados clientes. Estas componentes están optimizados para ser empleados en una determinada parte de un circuito concreto. Normalmente llevan marcado el logotipo del fabricante y un número de serie irreconocible.

SÍNTESIS: