Tema semiconductores

1. Electrónica Básica
Electromecánica
2022

2. ¿Qué es un semiconductor?
El prefijo semi suele aplicarse a un rango de
niveles situado a la mitad entre dos límites.
El término conductor se aplica a cualquier
material que soporte un flujo generoso de
cargas, cuando una fuente de voltaje de
magnitud limitada se aplica a través de sus
terminales.

3. ¿Qué es un semiconductor?
Un aislante es un material que ofrece un
nivel muy bajo de conductividad bajo la
presión de una fuente de voltaje aplicada.
Un semiconductor, por tanto, es un material
que posee un nivel de conductividad sobre
algún punto entre los extremos de un
aislante y un conductor.

4. Cobre…conductor…

5. Germanio y Silicio
Los conductores tienen 1 electrón de valencia, los
semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones de
valencia.

6. Germanio y Silicio
El germanio ( Ge ) y el silicio ( Si ) son los
dos materiales semiconductores mas
utilizados en la industria electrónica.
Pueden ser fabricados con un muy alto nivel
de pureza y esta característica mediante un
proceso denominado “dopado” (adición de
una impureza) logra convertir dicho material
de un conductor relativamente pobre a un
buen conductor de electricidad.

7. Ge y Si
 Dos razones más para que el Ge y el Si sean los
materiales semiconductores más utilizados.
 La capacidad de cambiar las características del
material en forma significativa a través del
proceso de “dopado”.
 Que sus características pueden alterarse en
forma significativa a través de la aplicación de
calor o luz, una consideración importante a la
hora de producir dispositivos sensibles a estas
características.

8. Cristales de Ge y Si
Las cualidades únicas del Ge y Si se deben
a su estructura atómica.
Los átomos de ambos materiales forman un
patrón muy definido que es periódico en
naturaleza.
A un patrón completo se le llama cristal, y al
arreglo periódico de los átomos red
cristalina.

9. Cristales de Ge y Si
Al combinarse los átomos de Ge o Si para
formar un sólido, lo hacen formando una
estructura ordenada llamada cristal.
Esto se debe a los "Enlaces Covalentes",
que son las uniones entre átomos que se
hacen compartiendo electrones adyacentes
de tal forma que se crea un equilibrio de
fuerzas que mantiene unidos los átomos.

10. Cristales de Ge y Si

11. Cristales de Ge y Si
Cada átomo comparte sus 4 electrones de
valencia con los átomos vecinos, de tal
manera que tiene 8 electrones en la órbita
de valencia.
La fuerza del enlace covalente es tan
grande porque son 8 los electrones que
quedan ( aunque sean compartidos ) con
cada átomo, gracias a esta característica los
enlaces covalentes son de una gran solidez.

12. Cristales de Ge y Si
Los 8 electrones de valencia se llaman electrones
ligados por estar fuertemente unidos en los
átomos.
El aumento de la temperatura hace que los
átomos en un cristal de silicio vibren dentro de él,
a mayor temperatura mayor será la vibración.
Con lo que un electrón se puede liberar de su
órbita, lo que deja un hueco, que a su vez atraerá
otro electrón.

13. Cristales de Ge y Si

14. Cristales de Ge y Si
A 0 ºK, todos los electrones son ligados. A
300 ºK o más, aparecen electrones libres.
Esta unión de un electrón libre y un hueco
se llama "recombinación", y el tiempo entre
la creación y desaparición de un electrón
libre se denomina "tiempo de vida".

15. Cristales de Ge y Si
Enlace covalente roto: Es cuando tenemos
un hueco, esto es una generación de pares
electrón libre-hueco.

16. Cristales de Ge y Si
Los electrones libres (electrones) se
mueven hacia la izquierda ocupando el
lugar del hueco.
Carga del electrón libre = -1.6x10-19 Culombios.
Los electrones ligados (huecos) se mueven
hacia la derecha.
Carga de electrón ligado = +1.6x10-19 Culombios.

17. Resumiendo…
Semiconductores: Conducen los
electrones (electrones libres) y los huecos
(electrones ligados).
Conductores: Conducen los electrones
libres.

18. Resumiendo…
Dentro de un cristal en todo momento
ocurre esto:
Por la energía térmica se están creando
electrones libres y huecos.
Se recombinan otros electrones libres y
huecos.
Quedan algunos electrones libres y huecos
en un estado intermedio, en el que han sido
creado y todavía no se han recombinado.

19. Un semiconductor intrínseco está hecho sólo de
una clase de átomo, es decir, es puro.
Los cuatro electrones
de valencia forman
enlaces con otros
átomos de Silicio.
Semiconductor intrínseco

20. Semiconductor intrínseco
Es un semiconductor puro.
A temperatura ambiente se comporta como un
aislante porque solo tiene unos pocos electrones
libres y huecos debidos a la energía térmica.
En un semiconductor intrínseco también hay flujos
de electrones y huecos, aunque la corriente total
resultante sea cero.

21. Son materiales semiconductores que no son puros.
Se les introducen átomos (llamados impurezas) en su
estructura molecular para aumentar su conductividad
eléctrica. A la operación de introducción de estos
átomos se le llama dopaje.
Los semiconductores extrínsecos pueden ser:
 Tipo N: introducimos átomos con 5 electrones de valencia.
Fósforo (P), Arsénico (As), Antimonio (Sb).
 Tipo P: introducimos átomos con 3 electrones de valencia.
Boro (B), Galio (Ga), Indio (In).
Semiconductor extrínseco

22.  Semiconductor extrínseco tipo N.
Un electrón del átomo de
Fósforo queda suelto, sin
enlace.
El semiconductor queda
cargado negativamente. (Hay
más electrones)
Mejora la conductividad
del semiconductor al
tener electrones con mucha
movilidad.
Semiconductor extrínseco

23. Semiconductor extrínseco
El tipo N se crea a través de la introducción
de elementos de impurezas que poseen
cinco electrones de valencia como el
antimonio, arsénico y fósforo.
Los átomo de valencia 5 tienen un electrón
de más, así con una temperatura no muy
elevada (a temperatura ambiente por
ejemplo), el 5º electrón se hace electrón
libre.

24. Semiconductor extrínseco
Esto es, como solo se pueden tener 8
electrones en la órbita de valencia, el átomo
pentavalente suelta un electrón que será
libre.
Si metemos 1000 átomos de impurezas
tendremos 1000 electrones más los que se
hagan libres por generación térmica (muy
pocos).

25. Semiconductor extrínseco
A estas impurezas se les llama "Impurezas
Donadoras". El número de electrones libres
se llama N (electrones libres/m3).

26. Semiconductorextrínseco
Semiconductor extrínseco tipo P.
Un electrón del átomo de
Silicio se queda sin
enlace.
El semiconductor queda
cargado positivamente. (Hay
huecos para electrones que
son como cargas positivas )
Mejora la conductividad
del semiconductor porque los
huecos “quieren” que un
electrón ocupe ese lugar.

27. Semiconductorextrínseco
El material tipo P se forma mediante el
dopado de un cristal de Ge o Si con átomos
de impureza que poseen tres electrones de
valencia, por ejemplo el boro, galio e indio.
Los átomo de valencia 3 tienen un electrón
de menos, entonces como nos falta un
electrón tenemos un hueco.

28. Semiconductorextrínseco
Este átomo trivalente tiene 3 electrones en
la orbita de valencia. Al átomo de valencia 3
se le llama "átomo trivalente" o "Aceptor".
A estas impurezas se les llama "Impurezas
Aceptoras". Hay tantos huecos como
impurezas de valencia 3 y sigue habiendo
huecos de generación térmica (muy pocos).

29. Semiconductorextrínseco
El número de huecos se llama P
(huecos/m3).

30. Semiconductor tipo N
Es el que está impurificado con impurezas
"Donadoras", que son impurezas
pentavalentes.
Como los electrones superan a los huecos
en un semiconductor tipo N, reciben el
nombre de "portadores mayoritarios",
mientras que a los huecos se les denomina
"portadores minoritarios".

31. Semiconductor tipo N
Al aplicar una tensión al semiconductor de
la figura, los electrones libres dentro del
semiconductor se mueven hacia la izquierda
y los huecos lo hacen hacia la derecha.

32. Semiconductor tipo N
Cuando un hueco llega al extremo derecho
del cristal, uno de los electrones del circuito
externo entra al semiconductor y se
recombina con el hueco.
Los electrones libres de la figura circulan
hacia el extremo izquierdo del cristal, donde
entran al conductor y fluyen hacia el positivo
de la batería.

33. Semiconductor tipo P
Es el que está impurificado con impurezas
"Aceptoras", que son impurezas trivalentes.
Como el número de huecos supera el
número de electrones libres, los huecos son
los portadores mayoritarios y los electrones
libres son los minoritarios.

34. Semiconductor tipo P
Al aplicarse una tensión, los electrones
libres se mueven hacia la izquierda y los
huecos lo hacen hacia la derecha. En la
figura, los huecos que llegan al extremo
derecho del cristal se recombinan con los
electrones libres del circuito externo.

35. Semiconductor tipo P
En el circuito hay también un flujo de
portadores minoritarios. Los electrones
libres dentro del semiconductor circulan de
derecha a izquierda.
Como hay muy pocos portadores
minoritarios, su efecto es casi despreciable
en este circuito.

36. ¿ Dudas ?
¡ Gracias !