Este documento describe los principios básicos de la conducción eléctrica en materiales como metales, aislantes y semiconductores. Explica cómo la estructura de bandas en los semiconductores determina su comportamiento intrínseco y cómo el dopaje con impurezas los convierte en semiconductores tipo n o tipo p, afectando la densidad de portadores mayoritarios. También cubre conceptos clave como la corriente eléctrica, la velocidad de arrastre, la resistividad y cómo la aplicación de un campo eléctrico genera corri

1. G. CASTILLO

2. Contenido
 Conducción en aislantes y metales
 Conducción en semiconductores intrínsecos
 Semiconductores dopados
 Difusión de huecos y electrones
 La unión p-n en equilibrio
 El diodo de unión
 Modelos de diodo de gran señal
 Modelo estático SPICE para el diodo

3. Corriente eléctrica
La corriente eléctrica es la rapidez con que fluye la
carga a través de un superficie en un conductor.
Q
I prom
t + +
+ +
dQ
I + +
dt A

4. Velocidad de arrastre
Movimiento en zigzag del electrón en un conductor.
Los cambios de dirección se deben a choques entre el
electrón y los átomos en el conductor
vd
–
–
–
–
vd = 0
E

5. Modelo microscópico de la corriente
x
n – densidad de portadores de vd
carga.
A
q
vd – velocidad arrastre
x = vd t
t – intervalo de tiempoI
Q
nqvd A
prom
t
Q = nqAvd t = número de portadores en una
sección de longitud x.
La corriente es:

6. Ejemplo
Un alambre de calibre 12 de sección transversal 3.31x10–6
conduce una corriente de 10 A, ¿cuál es la rapidez de arrastre
de los electrones? La densuidad del cobre es de 8.95 g/cm3.
El volumen ocupado por un mol de cobre de 63.5 g es:
V = m/ = 63.5/8.95 = 7.09 cm3
La densidad de portadores es:
n = NA/V = 6.02x1023/7.09 = 8.49x1028 elec/m3
vd = I/nqA
= 10/((8.49x1028)(1.6x10–19) (3.31x10–6)) = 2.2x10–4 m/s

7. Ley decorriente a través de un
La densidad de
Ohm
conductor es:
l
J = I/A = nqvd
Para muchos materiales se cumple que I
A
J= E
Vb Va
Donde es la conductividad del material. E
La diferencia de potencial entre a y b es:
Vab = E l Definimos la
resistividad como el
De aquí: recíproco de la
J= E= V/l => I/A = V/l conductividad
V=Il/ A = RI con R = l / A = 1/

8. Conducción en aislantes y
metales
n – movilidad de los
electrones
– conductividad
I=nqA nE =nqA n V/d

9. Resistividad para diferentes materiales
Los valores de la resistividad nos permiten clasificar los
materiales como conductores, semiconductores y aislantes
Conductor semiconductor aislante
= 10–6 Ohm/m = 50 Ohm/m = 1012 Ohm/m
Cobre Germanio mica
= 50000 Ohm/m
Silicio

10. Estructura de un semiconductor
Los cuatro electrones de la capa exterior se comparten entre los
átomos vecinos.
Estructura de un
Enlaces cristal de Si o Ge
covalentes
Átomos de Si
o Ge

11. Teoría de bandas
Niveles de energía de la Niveles de energía de la Niveles de energía de la
capa 3s de 2 átomos de capa 3s de 6 átomos de capa 3s cuando un gran
sodio que se acercan sodio que se acercan número de átomos de sodio
se juntan en un sólido.
Energía
Energía
Energía
r r r

12. Estructura de bandas
Los niveles de energía de los electrones de los átomos de un cristal
se separan en bandas de energía debido al principio de exclusión de
Pauli.

13. Eg – energía de desdoblamiento. Es la energía necesaria para llevar un electrón de
la banda de valencia a la banda de conducción.
Eg
Eg 10 eV Eg = 1.1 eV (Si) Eg = 0
Eg = 0.67 eV (Ge)
Eg = 1.41 eV (ArGa)

14. Semiconductor intrínseco
A temperatura ambiente algunos de los enlaces covalentes se rompen y producen
electrones libres y huecos que contribuyen a la conducción.
Banda de conducción
Electrón libre
Enlace covalente
roto
Huecos
Banda de valencia
Electrón libre

15. SEMICONDUCTOR INTRINSECO

16. Corriente eneléctrico asemiconductor
Cuando se aplica un campo
un un semiconductor intrínseco, se
produce una corriente formada por dos componentes: corriente de electrones
en contra del campo n corriente de huecos a favor del campo.
I=qAp pE+ qAn nE = q A (p p+ n n )E
Donde p es la densidad de huecos, n la densidad de electrones, p es la
movilidad de huecos y n es la movilidad de electrones.
A temperatura ambiente n = 1012 para Si y 109 para Ge.
Banda de conducción
E
E
Banda de valencia

17. Impurezas donadoras
Electrones libres
Nivel de energía del
donador
Eg = 0.05 Si
= 0.01 Ge
Electrón de valencia del
antimonio

18. Impurezas aceptoras
Nivel de energía del
donador
Eg = 0.05 Si
= 0.01 Ge
Huecos libres
Enlace (hueco) no
completado por el átomo
de B, Ga, In

19. Semiconductores dopados
Bandas en semiconductores intrínsecos y dopados:
Los portadores mayoritarios son los portadores que están en exceso en un
semiconductor dopado. En los semiconductores tipo n son mayoritarios los
electrones y en los tipo p los huecos. Los portadores en defecto se llamas
portadores minoritarios.

20. > Los semiconductores se dopan para generar una mayor cantidad de portadores
> Dopajes con elementos del grupo V: As, Sb, Bi → Donan e- (Nd)
> Dopajes con elementos del grupo III: B, Al, Ga → Donan h+ (Na)

21. Enlaces
http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_4.htm
http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina4.htm