Materiales semiconductores Ge, Si y GaAs

DIODOS SEMICONDUCTORES
CLASE 5

MATERIALES SEMICONDUCTORES: GE, SI Y
GAAS
• Hoy en día, el procesador cuádruple Intel‚Core 2 Extreme que se
muestra en la figura cuenta con 410 millones de transistores en cada
chip de doble núcleo. Obviamente, hemos llegado a un punto donde
el propósito principal del contenedor es el de servir como un medio
de manejar el dispositivo o sistema y proporcionar un mecanismo de
conexión al resto de la red. La miniaturización adicional parece estar
limitada por tres factores: la calidad del material semiconductor, la
técnica de diseño de redes y los límites del equipo de fabricación y
procesamiento

MATERIALES
SEMICONDUCTORES:
GE, SI Y GAAS

GAAS
• La construcción de cualquier dispositivo electrónico discreto
(individual) de estado sólido (estructura de cristal duro) o
circuito integrado, se inicia con un material semiconductor de
la más alta calidad.
• Los semiconductores son una clase especial de elementos cuya
conductividad se encuentra entre la de un buen conductor y la
de un aislante

GAAS
• En general, los materiales semiconductores caen dentro de una de
dos clases: de un solo cristal y compuesto. Los semiconductores de
un solo cristal como el germanio (Ge) y el silicio (Si) tienen una
estructura cristalina repetitiva, en tanto que compuestos como el
arseniuro de galio (GaAs), el sulfuro de cadmio (CdS), el nitruro de
galio (GaN) y el fosfuro de galio y arsénico (GaAsP) se componen de
dos o más materiales semiconductores de diferentes estructuras
atómicas.

GAAS
• Los tres semiconductores más frecuentemente utilizados en la
construcción de dispositivos electrónicos son Ge, Si y GaAs.

ENLACE COVALENTE Y MATERIALES
INTRÍNSECOS
• Los tres semiconductores más frecuentemente utilizados en la
construcción de dispositivos electrónicos son Ge, Si y GaAs.

ENLACE
COVALENTE Y
MATERIALES
INTRÍNSECOS

INTRÍNSECOS
• Como se indica en la figura, el silicio tiene 14 electrones en órbita, el
germanio 32, el galio 31 y el arsénico 33 (el mismo arsénico que es un
agente químico muy venenoso). En el germanio y el silicio hay cuatro
electrones en la capa más externa, los cuales se conocen como electrones
de valencia. El galio tiene tres electrones de valencia y el arsénico cinco. Los
átomos que tienen cuatro electrones de valencia se llaman tetravalentes; los
de tres se llaman trivalentes, y los de cinco se llaman pentavalentes.

INTRÍNSECOS
• El término valencia se utiliza para indicar que el potencial
(potencial de ionización) requerido para remover cualquiera de
estos electrones de la estructura atómica es significativamente
más bajo que el requerido para cualquier otro electrón en la
estructura

INTRÍNSECOS
• En un cristal de silicio o germanio puros, los cuatro electrones
de valencia de un átomo forman un arreglo de enlace con
cuatro átomos adyacentes, como se muestra en la figura. Este
enlace de átomos, reforzado por compartir electrones, se llama
enlace covalente

ENLACE
COVALENTE
Y
MATERIALE
S
INTRÍNSECO
S

INTRÍNSECOS
• El término intrínseco se aplica a cualquier material
semiconductor que haya sido cuidadosamente refinado para
reducir el número de impurezas a un nivel muy bajo; en
esencia, lo más puro posible que se pueda fabricar utilizando
tecnología actual.

INTRÍNSECOS
• La capacidad de cambiar las características de un material
mediante este proceso se llama impurificación o dopado, algo
que el germanio, el silicio y el arseniuro de galio aceptan con
facilidad y rapidez.

INTRÍNSECOS
• Una importante e interesante diferencia entre semiconductores y
conductores es su reacción ante la aplicación de calor. En el caso de los
conductores, la resistencia se incrementa con un aumento de calor. Esto se
debe a que el número de portadores presentes en un conductor no se
incrementan de manera significativa con la temperatura, aunque su patrón
de vibración con respecto a un lugar relativamente fijo dificulta cada vez
más el flujo continuo de portadores a través del material. Se dice que los
materiales que reaccionan de esta manera tienen un coeficiente de
temperatura positivo.

INTRÍNSECOS
• Los materiales semiconductores, sin embargo, presentan un nivel
incrementado de conductividad con la aplicación de calor. Conforme
se eleva la temperatura, un mayor número de electrones de valencia
absorben suficiente energía térmica para romper el enlace covalente
y así contribuir al número de portadores libres. Por consiguiente:
• Los materiales semiconductores tienen un coeficiente de temperatura
negativo

MATERIALES EXTRÍNSECOS: MATERIALES
TIPO N
Y TIPO P
• Un material semiconductor que ha sido sometido al proceso de
dopado se conoce como material extrínseco.
• Hay dos materiales extrínsecos de inmensurable importancia en
la fabricación de dispositivos semiconductores: materiales tipo
n y tipo p.

MATERIAL TIPO N
• Tanto los materiales tipo n como los tipo p se forman
agregando un número predeterminado de átomos de impureza
a una base de silicio. 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.

MATERIAL TIPO N
• El efecto de tales elementos de impureza se indica en la figura (con
antimonio como la impureza en una base de silicio). Observe que los cuatros
enlaces covalentes permanecen.
• Existe, sin embargo, un quinto electrón adicional debido al átomo de
impureza, el cual no está asociado con cualquier enlace covalente particular.
Este electrón restante, enlazado de manera poco firme a su átomo padre
(antimonio), está en cierto modo libre para moverse dentro del material tipo
n recién formado, puesto que el átomo de impureza insertado ha donado un
electrón relativamente “libre” a la estructura.

MATERIAL TIPO N
• Las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se
conocen como átomos donador

MATERIAL 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. El efecto de uno de estos elementos, el
boro, en una base de silicio se indica
• en la figura.

MATERIAL TIPO P
• Observe que ahora el número de electrones es insuficiente para completar
las bandas covalentes de la estructura recién formada. El vacío resultante se
llama hueco y se denota con un pequeño círculo o un signo más, para
indicar la ausencia de una carga positiva. Por lo tanto, el vacío resultante
aceptará con facilidad un electrón libre:
• Las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se llaman átomos
aceptores. El material tipo p es eléctricamente neutro por las mismas
razones descritas para el material tipo n.

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. Por eso:

MINORITARIOS
• En un material tipo n el electrón se llama portador mayoritario
y el hueco portador minoritario.

MINORITARIOS
• En el material tipo p el número de huecos excede por mucho al
de electrones, como se muestra en la figura. Por consiguiente:
• En un material tipo p, el hueco es el portador mayoritario y el
electrón el minoritario.

MINORITARIOS

DIODO SEMICONDUCTOR
• Ahora que los materiales tanto tipo n como tipo p están
disponibles, podemos construir nuestro primer dispositivo
electrónico de estado sólido. El diodo semiconductor, con
aplicaciones demasiado numerosas de mencionar, se crea
uniendo un material tipo n a un material tipo p, nada más que
eso; sólo la unión de un material con un portador mayoritario
de electrones a uno con un portador mayoritario de huecos. La
simplicidad básica de su construcción refuerza la importancia
del desarrollo de esta área de estado sólido

SIN POLARIZACIÓN APLICADA (V = 0 V)
• Ahora que los materiales tanto tipo n como tipo p están
disponibles, podemos construir nuestro primer dispositivo
electrónico de estado sólido. El diodo semiconductor, con
aplicaciones demasiado numerosas de mencionar, se crea
uniendo un material tipo n a un material tipo p, nada más que
eso; sólo la unión de un material con un portador mayoritario
de electrones a uno con un portador mayoritario de huecos. La
simplicidad básica de su construcción refuerza la importancia
del desarrollo de esta área de estado sólido

• En el momento en que los dos materiales se “unen”, los
electrones y los huecos en la región de la unión se combinan y
provocan una carencia de portadores libres en la región
próxima a la unión, como se muestra en la figura. Observe en
la figura que las únicas partículas mostradas en esta región son
los iones positivos y negativos que quedan una vez que los
portadores libres han sido absorbidos.

Una unión tipo p–n con polarización
interna: (a) una distribución de carga
interna; (b) un símbolo de diodo, con
la polaridad definida y la dirección
de la corriente; (c) demostración de
que el flujo de portadores neto es
cero en la terminal externa del
dispositivo cuando VD = 0 V.
Sin ninguna polarización aplicada a
través de un diodo semiconductor,
el flujo neto de carga en una
dirección es cero.

CONDICIÓN DE POLARIZACIÓN EN INVERSA
(VD<0 V)
• La corriente en
condiciones de
polarización en
inversa se llama
corriente de
saturación en
inversa y está
representada por
Is.

CONDICIÓN DE POLARIZACIÓN EN DIRECTA
(VD>0 V)
• La condición de
polarización en
directa o
“encendido” se
establece aplicando
el potencial positivo
al material tipo p y
el potencial negativo
al tipo n como se
muestra en la figura.

DIODO SEMICONDUCTOR
• Se puede demostrar por medio de la física de estado sólido que
las características generales de un diodo semiconductor se
pueden definir mediante la siguiente ecuación, conocida como
ecuación de Shockley, para las regiones de polarización en
directa y en inversa.
• 𝐼 𝐷 = 𝐼𝑠 𝑒 𝑉 𝐷/𝑛𝑉 𝑇 − 1 ………………………….(1)
• Donde
• 𝐼𝑠 es la corriente de saturación inversa.

DIODO SEMICONDUCTOR
• 𝑉𝐷 es el voltaje de polarización en directa aplicado a través del
diodo
• 𝑛 es un factor de idealidad, el cual es una función de las
condiciones de operación y construcción física; varía entre 1 y 2
según una amplia diversidad de factores. ( se supondrá 𝑛 = 1 a
menos que se indique otra cosa)
• El voltaje 𝑉𝑇 en la ecuación (1), se llama voltaje térmico y esta
determinado por:

DIODO SEMICONDUCTOR
• 𝑉𝑇 =
𝑘𝑇
𝑞
(𝑉) ………………………(2)
• Donde
• 𝑘 es la constante de Boltzmann = 1.38 × 10−23 𝐽/𝐾
• 𝑇 es la temperatura absoluta en Kelvin = 273 + la temperatura
en 𝑜
𝐶
• 𝑞 es la magnitud de la carga del electrón = 1.6 × 10−19 𝐶

EJEMPLO
• A una temperatura de 27°C (temperatura común para
componentes en un sistema de operación cerrado), determine
el voltaje térmico 𝑉𝑇.

SOLUCIÓN
• Sustituyendo en la ecuación (2) obtenemos:
• 𝑇 = 273 + 𝑜
𝐶 = 273 + 27 = 300𝐾
• 𝑉𝑇 =
𝑘𝑇
𝑞
=
(1.38×
10−23 𝐽
𝐾
)(300)
1,6×10−19 𝐶
= 25,875 𝑚𝑉 ≅ 26𝑚𝑉
• El voltaje térmico se convertirá en un parámetro importante en
los análisis posteriores

GE, SI Y GAAS
• El análisis realizado hasta ahora ha utilizado únicamente Si como material
semiconductor base.
• Ahora es importante compararlo con otros dos materiales de primordial
importancia: GaAs y Ge. En la figura aparece una gráfica que compara las
características de diodos de Si, GaAs y Ge comerciales. De inmediato es
obvio que el punto de levantamiento vertical de las características es
diferente para cada material, aunque la forma general de cada una es muy
semejante.
• El germanio es el más cercano al eje vertical y el GaAs es el más distante.
Como se observa en las curvas, el centro de la rodilla de la curva está
aproximadamente en 0.3 V para Ge, 0.7 V para Si y 1.2 V para GaAs (vea la
tabla).

LO IDEAL VS. LO PRÁCTICO
• Una analogía utilizada con frecuencia para describir el
comportamiento de un diodo semiconductor es un interruptor
mecánico. En la figura el diodo está actuando como un
interruptor cerrado que permite un flujo abundante de carga en
la dirección indicada. En la figura el nivel de corriente es tan
pequeño en la mayoría de los casos que puede ser aproximado
como 0 A y representado por un interruptor abierto

LO IDEAL VS. LO PRÁCTICO
• En otras palabras:
• El diodo semiconductor se comporta como un interruptor
mecánico en el sentido de que puede controlar el flujo de
corriente entre sus dos terminales. Sin embargo, también es
importante tener en cuenta que:
• El diodo semiconductor es diferente del interruptor mecánico
en el sentido de que cuando éste se cierra sólo permite que la
corriente fluya en una dirección.

CIRCUITO EQUIVALENTE SIMPLIFICADO
• En realidad, esta aproximación se emplea con frecuencia en el
análisis de circuitos semiconductores. El circuito equivalente
reducido aparece en la misma figura. Manifiesta que un diodo
de silicio polarizado en directa en un sistema electrónico en
condiciones de cd experimenta una caída de 0.7 V a través de
éste en el estado de conducción a cualquier nivel de corriente
en el diodo (dentro de valores nominales, por supuesto).

CIRCUITO EQUIVALENTE SIMPLIFICADO

CIRCUITO EQUIVALENTE IDEAL
• Ahora que se eliminó rprom del circuito equivalente, llevemos
el análisis un paso adelante y establezcamos que el nivel de 0.7
V con frecuencia puede ser ignorado en comparación con el
nivel de voltaje aplicado. En este caso el circuito equivalente se
reducirá al de un diodo ideal como se muestra en la figura con
sus características. Veremos que esta aproximación se hace
con frecuencia sin una pérdida grave de precisión

HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE DIODOS
• Normalmente, el fabricante proporciona datos sobre
dispositivos semiconductores específicos en una de dos
formas. Con más frecuencia, dan una descripción muy breve,
tal vez limitada a una página. En otras ocasiones proporcionan
un examen completo de las características mediante gráficas,
material gráfico, tablas, etc. En uno u otro caso, son piezas con
datos específicos que se deben incluir para el uso apropiado
del dispositivo. Incluyen:

• 1. El voltaje en directa VF (a una corriente y temperatura
especificadas)
• 2. La corriente máxima en directa IF (a una temperatura
especificada)
• 3. La corriente de saturación en inversa IR (a un voltaje y
temperatura especificados)

• 5. El nivel de disipación de potencia máximo a una temperatura
particular
• 6. Niveles de capacitancia
• 7. Tiempo de recuperación en inversa trr
• 8. Intervalo de temperatura de operación

• Según el tipo de diodo que se esté considerando, es posible
que también se den más datos, como intervalo de frecuencia,
nivel de ruido, tiempo de conmutación, niveles de resistencia
térmica y valores repetitivos pico. Para la aplicación pensada, la
importancia de los datos casi siempre es de vital importancia.
Si también se da el coeficiente de disipación o potencia
máxima, se entiende que es igual al siguiente producto:
• 𝑃 𝐷𝑚𝑎𝑥 = 𝐼 𝐷 𝑉𝐷-------------------- (3)

• donde 𝐼 𝐷 y 𝑉𝐷 son la corriente y el voltaje en el diodo,
respectivamente, en un punto de operación particular.
• Si aplicamos el modelo simplificado para una aplicación
particular (una ocurrencia común), podemos sustituir 𝑉𝐷 = 𝑉𝑇 =
0,7𝑉 para un diodo de silicio en la ecuación (3) y determinar la
disipación de potencia resultante por comparación contra el
coeficiente de potencia máximo. Es decir,
• 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑑𝑎 ≅ 0,7𝑉 𝐼 𝐷--------------------------(4)

NOTACIÓN PARA DIODOS
SEMICONDUCTORES
• La notación que con más frecuencia se utiliza para diodos
semiconductores se da en la figura. En la mayoría de los diodos
cualquier marca, ya sea un punto o una banda, como se
muestra en la figura , aparece en el cátodo. La terminología
ánodo y cátodo viene de la notación para tubos de vacío. El
ánodo se refiere al potencial positivo o más alto, y el cátodo a
la terminal negativa o más baja. Esta combinación de niveles de
polarización produce una condición de polarización en directa
o de “encendido” en el diodo. En la figura 1.39 aparecen varios
diodos semiconductores comerciales.

PRUEBA DE UN DIODO
• La condición de un diodo semiconductor se determina
rápidamente utilizando 1) un medidor de pantalla digital (DDM,
por sus siglas en inglés) con una función de verificación de
diodo; 2) la sección óhmetro de un multímetro, o 3) un
trazador de curvas.

FUNCIÓN DE VERIFICACIÓN DE DIODO
• En la figura aparece un medidor de pantalla digital con capacidad
para verificar un diodo.
• Observe el pequeño símbolo de diodo arriba a la derecha de la perilla
giratoria. Cuando se pone en esta posición y conecta como se
muestra en la figura, el diodo deberá estar en el estado “on”
(encendido) y la pantalla indica el voltaje de polarización en directa
como 0.67 V (para Si). El medidor cuenta con una fuente de corriente
constante interna (de más o menos 2 mA) que define el nivel de
voltaje como indica en la figura. Una indicación OL con la conexión
de la figura revela un diodo abierto (defectuoso). Si se invierten los
cables, aparecerá una indicación OL debido a la equivalencia de
circuito abierto del diodo.
• En general, por consiguiente, una indicación OL en ambas

FUNCIÓN DE VERIFICACIÓN DE DIODO

PRUEBA CON UN ÓHMETRO
• La lectura del óhmetro será una función de la corriente establecida a
través del diodo por la batería interna (a menudo de 1.5 V) del
circuito del ohmetro.
• Cuanto más alta es la corriente, más bajo es el nivel de resistencia.
En la situación de polarización inversa la lectura deberá ser bastante
alta, por lo que se requiere una escala de resistencia alta en el
medidor, como se indica en la figura . Una lectura de alta resistencia
en ambas direcciones indica una condición abierta (dispositivo
defectuoso) en tanto que una lectura de resistencia muy baja en
ambas direcciones probablemente indique un dispositivo en
cortocircuito.

RESUMEN
• 1. Las características de un diodo ideal son exactamente las de un interruptor
simple, excepto por el hecho importante de que un diodo ideal puede conducir
en sólo una dirección.
• 2. El diodo ideal es un corto circuito en la región de conducción y un circuito
abierto en la región de no conducción.
• 3. Un semiconductor es un material que tiene un nivel de conductividad entre la
de un buen conductor y la de un aislante.
• 4. Un enlace de átomos, reforzado por la compartición de electrones entre
átomos vecinos, se llama enlace covalente.
• 5. El aumento de las temperaturas puede provocar un incremento significativo
del número de electrones libres en un material semiconductor.

RESUMEN
• 6. La mayoría de los materiales semiconductores utilizados en la industria
electrónica tienen coeficientes de temperatura negativos; es decir, la
resistencia se reduce con un aumento de temperatura.
• 7. Los materiales intrínsecos son aquellos semiconductores que tienen un
nivel muy bajo de impurezas, en tanto que los materiales extrínsecos son
semiconductores que se expusieron a un proceso de dopado.
• 8. Un material tipo n se forma agregando átomos donadores que tengan
cinco electrones de valencia para establecer un alto nivel de electrones
relativamente libres. En un material tipo n, el electrón es el portador
mayoritario y el hueco es el portador minoritario.

RESUMEN
• 9. Un material tipo p se forma agregando átomos aceptores con tres
electrones de valencia para establecer un alto nivel de huecos en el
material. En un material tipo n, el hueco es el portador mayoritario y
el electrón el minoritario.
• 10. La región cerca de la unión de un diodo que tiene muy pocos
portadores se llama región de empobrecimiento.
• 11. Sin ninguna polarización externa aplicada, la corriente en el
diodo es cero.
• 12. En la región de polarización en directa, la corriente en el diodo se
incrementa exponencialmente con el aumento del voltaje a través del
diodo.

RESUMEN
• 13. En la región de polarización en inversa, la corriente en el diodo es la
corriente de saturación en inversa muy pequeña hasta que se alcanza la ruptura
Zener y la corriente fluye en la dirección opuesta a través del diodo.
• 14. La corriente de saturación en inversa 𝐼𝑆 casi duplica su magnitud por cada
10 veces de incremento de la temperatura.
• 15. La resistencia de cd de un diodo está determinada por la relación del voltaje
y la corriente en el diodo en el punto de interés y no es sensible a la forma de la
curva. La resistencia de cd se reduce con el incremento de la corriente o voltaje
en el diodo.
• 16. La resistencia de ca de un diodo es sensible a la forma de la curva en la
región de interés y
• se reduce con altos niveles de corriente o voltaje del diodo.

RESUMEN
• 18. El nivel de disipación de potencia nominal máxima de un diodo es igual
al producto del voltaje y corriente del diodo.
• 19. La capacitancia de un diodo se incrementa exponencialmente con el
aumento del voltaje de polarización en directa. Sus niveles mínimos ocurren
en la región de polarización en inversa.
• 20. La dirección de conducción de un diodo Zener se opone a la de la flecha
en el símbolo y el voltaje Zener tiene una polaridad opuesta a la de un diodo
polarizado en directa.
• 21. Los diodos emisores de luz (LED) emiten luz en condiciones de
polarización en directa pero requieren 2 V a 4 V para una buena emisión.

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