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Física Electrónica
Universidad Privada Telesup
José Marcelino Escobar Timaná
En 1948 los laboratorios de la Bell Telephone anunciaron el desarrollo del
primer transistor. Este acontecimiento inició la edad moderna de los
semiconductores, los cuales se denominan a menudo dispositivos de estado
sólido o componentes estáticos. Desde esta fecha se han desarrollado y
empleado en aplicaciones prácticas muchos centenares de semiconductores.
Estos componentes, tales como diodos zener, tiristores (comúnmente conocidos
como rectificadores controlados de silicio o SCR), transistores, varistores,
termistores y otros, se usan frecuentemente en una amplia variedad de equipo
y sistemas eléctricos. Las aplicaciones prácticas incluyen amplificadores,
atenuadores de luz, controles de velocidad de motores, reguladores de tensión,
controles de temperatura, interrupción, regulación de tiempo y aparatos de
detección.
Las principales ventajas de los semiconductores estriban en que son altamente
seguros, poco voluminosos y consumen poca energía. Así, los equipos y
sistemas eléctricos que utilizan semiconductores son inherentemente seguros y
de poco tamaño, exigen fuentes de alimentación más pequeñas y tienen
elevado rendimiento. Las desventajas de los semiconductores son su
sensibilidad al calor y a las sobretensiones.
Semiconductor es un elemento que se
comporta como un conductor o como
aislante dependiendo de diversos
factores, como por ejemplo el campo
eléctrico o magnético, la presión, la
radiación que le incide, o la
temperatura del ambiente en el que se
encuentre. Los elementos químicos
semiconductores de la tabla periódica
se indican en la tabla adjunta.
El elemento más usado es el silicio, el
segundo el germanio, aunque idéntico
comportamiento          presentan      las
combinaciones de elementos de los
grupos 12 y 13 con los de los grupos 14
y 15 respectivamente.
En la figura se muestra el silicio y se
aprecia que los electrones factible de ser
liberados de la fuerza del núcleo son
cuatro.
La zona sombreada de la figura 2 se
representa de una manera simplificado
en la figura 1.
Los semiconductores intrínsecos se
caracterizan por tener una estructura
de bandas de electrones del tipo
mostrado en la figura, la banda de
valencia esta completamente llena y
esta separada de la banda de
conducción vacía por un intervalo
prohibido de energía relativamente
estrecho, generalmente menor de 2eV.
Los semiconductores elementales son
silicio y germanio, los cuales tienen
intervalos prohibidos de energía de
aproximadamente 1,1        y 0,7 eV,
respectivamente.       Ambos       se
encuentran en el grupo ICA de la
tabla periódica y tienen       enlace
covalente.      Además,       muchos
compuestos            semiconductores
presentan también comportamiento
intrínseco. Uno de estos grupos es el
formado entre      elementos del los
grupos IIIA y VA.
Al crecer la temperatura la agitación
térmica de algunos enlaces que
quedan incompletos. Cada enlace roto
crea un par de portadores, electrón y
hueco. El semiconductor se transforma
en un débil conductor. Los electrones
liberados subes a la banda de
conducción y se mueven por toda la
red cristalina. Los enlaces incompletos,
con un solo electrón, denominados
huecos, se mueven en la banda de
valencia en el sentido de que el enlace
roto se va intercambiando entre en
laces de átomos adyacentes.
La energía requerida para romper un
enlace o crear un par electrón-hueco,
como ya sabemos es el ancho de la
banda prohibida.
En un semiconductor intrínseco los
electrones de conducción y los
huecos se encuentran siempre en
igual número, ya que al romper un
enlace    covalente    se   crean
simultáneamente un electrón de
conducción y un hueco que
pueden         moverse        con
independencia uno del otro.
Además, se ha visto, que el
número de portadores presentes
en un semiconductor intrínseco es
función de la temperatura de
trabajo.

Siendo ni la “concentración
intrínseca” del material. En el caso
del Si, a temperatura ambiente de
300K
En un semiconductor intrínseco, el número de electrones libres
coincide con el de huecos. El dopado de un semiconductor con
impurezas de otros elementos tiene como objetivo lograr que
predomine un tipo de portador sobre otro.
Un semiconductor de tipo n (con predominio de electrones
libres) se logra mediante el dopado del material con elementos
donadores de electrones. Por ejemplo, un átomo de silicio posee
cuatro electrones de valencia, con los que establece enlaces con
otros cuatro átomos de silicio. Si uno de estos átomos se
sustituye por un elemento con cinco electrones de valencia
(como el fósforo), el electrón sobrante queda libre y el cristal
resultante es un semiconductor de tipo n.
Análogamente, un semiconductor de tipo p se caracteriza por
un exceso de huecos en comparación con el número de
electrones libres, y ello se consigue gracias al dopado con
átomos aceptadores de electrones
Puesto que los semiconductores
intrínsecos presentan el mismo
número de electrones de conducción
que de huecos, no son lo
suficientemente flexibles para la
mayor parte de las aplicaciones
prácticas de los semiconductores.
Para aumentar el número de
portadores, el procedimiento más
común consiste en introducir, de
manera controlada, una cierta
cantidad de átomos de impureza
obteniéndose lo que se denomina
semiconductor extrínseco o dopado.
En ellos, la conducción de corriente
eléctrica        tiene        lugar,
preferentemente, por uno de los dos
tipos de portadores.
Semiconductor tipo n y la correspondiente
representación del proceso mediante las bandas
de valencia y de conducción
Semiconductor tipo p y la correspondiente
representaicon del proceso mediante las bandas
de valencia y de conducción
En la gráfica indica como varía, con la temperatura T, el número de
portadores de un semiconductor dopado, comparativamente con el
caso de que el semiconductor fuese intrínseco. Al aumentar T,
comienza la ionización de las impurezas, donadoras o aceptores, y el
número de portadores que estas generan es mucho mayor que los que
posee un semiconductor intrínseco. Cuando todas las impurezas están
ionizadas, “saturación”, el número de portadores es prácticamente
constante e igual al número de impurezas.
   http://books.google.com.pe/books?id=7sVblZYhH0QC&pr
    intsec=frontcover&dq=semiconductores&hl=es&sa=X&ei=a
    w9vUdTYGZbe4AO3s4HQDg&ved=0CEAQ6AEwAw
   http://ocwus.us.es/fisica-
    aplicada/copy_of_complementos-de-
    fisica/temas/TEMA3.pdf
   http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/
    electro_dis/ensenanzas-tecnicas/electronica-de-
    dispositivos/tema-01.pdf
   http://books.google.com.pe/books?id=E4z9jhLbQ7EC&pg
    =PA144&dq=semiconductores+dopados&hl=es&sa=X&ei=0
    dRtUdzTKrio4APLx4DIAw&ved=0CC8Q6AEwAA#v=onep
    age&q=semiconductores%20dopados&f=false
   http://www.ifuap.buap.mx/~lilia/semiconductores.pdf

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Semiconductores

  • 1. Física Electrónica Universidad Privada Telesup José Marcelino Escobar Timaná
  • 2. En 1948 los laboratorios de la Bell Telephone anunciaron el desarrollo del primer transistor. Este acontecimiento inició la edad moderna de los semiconductores, los cuales se denominan a menudo dispositivos de estado sólido o componentes estáticos. Desde esta fecha se han desarrollado y empleado en aplicaciones prácticas muchos centenares de semiconductores. Estos componentes, tales como diodos zener, tiristores (comúnmente conocidos como rectificadores controlados de silicio o SCR), transistores, varistores, termistores y otros, se usan frecuentemente en una amplia variedad de equipo y sistemas eléctricos. Las aplicaciones prácticas incluyen amplificadores, atenuadores de luz, controles de velocidad de motores, reguladores de tensión, controles de temperatura, interrupción, regulación de tiempo y aparatos de detección. Las principales ventajas de los semiconductores estriban en que son altamente seguros, poco voluminosos y consumen poca energía. Así, los equipos y sistemas eléctricos que utilizan semiconductores son inherentemente seguros y de poco tamaño, exigen fuentes de alimentación más pequeñas y tienen elevado rendimiento. Las desventajas de los semiconductores son su sensibilidad al calor y a las sobretensiones.
  • 3. Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta. El elemento más usado es el silicio, el segundo el germanio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos 12 y 13 con los de los grupos 14 y 15 respectivamente. En la figura se muestra el silicio y se aprecia que los electrones factible de ser liberados de la fuerza del núcleo son cuatro. La zona sombreada de la figura 2 se representa de una manera simplificado en la figura 1.
  • 4. Los semiconductores intrínsecos se caracterizan por tener una estructura de bandas de electrones del tipo mostrado en la figura, la banda de valencia esta completamente llena y esta separada de la banda de conducción vacía por un intervalo prohibido de energía relativamente estrecho, generalmente menor de 2eV. Los semiconductores elementales son silicio y germanio, los cuales tienen intervalos prohibidos de energía de aproximadamente 1,1 y 0,7 eV, respectivamente. Ambos se encuentran en el grupo ICA de la tabla periódica y tienen enlace covalente. Además, muchos compuestos semiconductores presentan también comportamiento intrínseco. Uno de estos grupos es el formado entre elementos del los grupos IIIA y VA.
  • 5. Al crecer la temperatura la agitación térmica de algunos enlaces que quedan incompletos. Cada enlace roto crea un par de portadores, electrón y hueco. El semiconductor se transforma en un débil conductor. Los electrones liberados subes a la banda de conducción y se mueven por toda la red cristalina. Los enlaces incompletos, con un solo electrón, denominados huecos, se mueven en la banda de valencia en el sentido de que el enlace roto se va intercambiando entre en laces de átomos adyacentes. La energía requerida para romper un enlace o crear un par electrón-hueco, como ya sabemos es el ancho de la banda prohibida.
  • 6. En un semiconductor intrínseco los electrones de conducción y los huecos se encuentran siempre en igual número, ya que al romper un enlace covalente se crean simultáneamente un electrón de conducción y un hueco que pueden moverse con independencia uno del otro. Además, se ha visto, que el número de portadores presentes en un semiconductor intrínseco es función de la temperatura de trabajo. Siendo ni la “concentración intrínseca” del material. En el caso del Si, a temperatura ambiente de 300K
  • 7. En un semiconductor intrínseco, el número de electrones libres coincide con el de huecos. El dopado de un semiconductor con impurezas de otros elementos tiene como objetivo lograr que predomine un tipo de portador sobre otro. Un semiconductor de tipo n (con predominio de electrones libres) se logra mediante el dopado del material con elementos donadores de electrones. Por ejemplo, un átomo de silicio posee cuatro electrones de valencia, con los que establece enlaces con otros cuatro átomos de silicio. Si uno de estos átomos se sustituye por un elemento con cinco electrones de valencia (como el fósforo), el electrón sobrante queda libre y el cristal resultante es un semiconductor de tipo n. Análogamente, un semiconductor de tipo p se caracteriza por un exceso de huecos en comparación con el número de electrones libres, y ello se consigue gracias al dopado con átomos aceptadores de electrones
  • 8. Puesto que los semiconductores intrínsecos presentan el mismo número de electrones de conducción que de huecos, no son lo suficientemente flexibles para la mayor parte de las aplicaciones prácticas de los semiconductores. Para aumentar el número de portadores, el procedimiento más común consiste en introducir, de manera controlada, una cierta cantidad de átomos de impureza obteniéndose lo que se denomina semiconductor extrínseco o dopado. En ellos, la conducción de corriente eléctrica tiene lugar, preferentemente, por uno de los dos tipos de portadores.
  • 9.
  • 10.
  • 11.
  • 12.
  • 13. Semiconductor tipo n y la correspondiente representación del proceso mediante las bandas de valencia y de conducción
  • 14. Semiconductor tipo p y la correspondiente representaicon del proceso mediante las bandas de valencia y de conducción
  • 15. En la gráfica indica como varía, con la temperatura T, el número de portadores de un semiconductor dopado, comparativamente con el caso de que el semiconductor fuese intrínseco. Al aumentar T, comienza la ionización de las impurezas, donadoras o aceptores, y el número de portadores que estas generan es mucho mayor que los que posee un semiconductor intrínseco. Cuando todas las impurezas están ionizadas, “saturación”, el número de portadores es prácticamente constante e igual al número de impurezas.
  • 16. http://books.google.com.pe/books?id=7sVblZYhH0QC&pr intsec=frontcover&dq=semiconductores&hl=es&sa=X&ei=a w9vUdTYGZbe4AO3s4HQDg&ved=0CEAQ6AEwAw  http://ocwus.us.es/fisica- aplicada/copy_of_complementos-de- fisica/temas/TEMA3.pdf  http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/ electro_dis/ensenanzas-tecnicas/electronica-de- dispositivos/tema-01.pdf  http://books.google.com.pe/books?id=E4z9jhLbQ7EC&pg =PA144&dq=semiconductores+dopados&hl=es&sa=X&ei=0 dRtUdzTKrio4APLx4DIAw&ved=0CC8Q6AEwAA#v=onep age&q=semiconductores%20dopados&f=false  http://www.ifuap.buap.mx/~lilia/semiconductores.pdf