1. Unidad I
Materiales semiconductores.

2. MATERIALES SEMICONDUCTORES
La mayor parte de los dispositivos electrónicos modernos están fabricados a partir de
semiconductores. Para comprender el funcionamiento de estos dispositivos cuando se
insertan en un circuito eléctrico, es necesario conocer el comportamiento de los
componentes desde un punto de vista físico. Por ello, en este tema se presentan las
propiedades y características fundamentales de este tipo de materiales.
Si los conductores son materiales que disponen de electrones libres y los aislantes
carecen de ellos, los semiconductores se encuentran en una situación intermedia: a la
temperatura de 0 K se comportan como aislantes, pero mediante una aportación de
energía puede modificarse esta situación, adquiriendo un comportamiento más cercano
al de los conductores.
Los materiales semiconductores de uso común en la tecnología microelectrónica son el
silicio, el germanio y el arseniuro de galio. Se trata de elementos del grupo IV de la tabla
periódica, o bien combinaciones de elementos de los grupos III y V. De todos ellos, el más
empleado actualmente es el silicio, por lo que la discusión en este tema va a estar
centrada en dicho elemento. No obstante la gran mayoría de lo aquí expuesto puede
aplicarse a cualquier semiconductor.

3. Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de Potencia se pueden clasificar en tres
grandes grupos, de acuerdo con su grado de controlabilidad:
1. Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos . Los estados de conducción o
cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de potencia. Por tanto, estos dispositivos
no disponen de ningún terminal de control externo.
2. Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los Tiristores, los
SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of Alternating Current”). En éste caso su puesta
en conducción (paso de OFF a ON) se debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los
terminales del dispositivo, comúnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON
a OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta en
conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.
3. Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los transistores bipolares BJT
(“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo MOSFET (“Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor”), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated
Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.
En los siguientes apartados se detallan las características más importantes de cada uno de estos
dispositivos.

4. DISPOSITIVOS NO CONTROLADOS
DIODO:
El diodo es el interruptor electrónico más simple. No se
puede controlar, son las tensiones e intensidades del
circuito los que determinan los estados de conducción y
corte. En conducción pueden soportar una corriente media
de 3000A llegando hasta tensiones inversas de 5000V. El Si
es el elemento semiconductor más empleado . Los diodos
de potencia tienen una estructura más compleja que los
de baja potencia. El paso de un estado a otro no es
instantáneo y en dispositivos en los se trabaja a
alta frecuencia, es muy importante el tiempo de paso
entre estados, puesto que éste acotará las frecuencias de
trabajo. *Polarización Directa
El ánodo se conecta al positivo de la batería y el cátodo al
negativo. El diodo conduce con una caída de tensión de 0,6
a 0,7V. El valor de la resistencia interna seria muy bajo. Se
comporta como un interruptor cerrado
Curva característica
VRRM: tensión inversa máxima
VD: tensión de codo.

5. A continuación vamos a ir viendo las características más importantes del diodo, las
cuales podemos agrupar de la siguiente forma:
*Características estáticas:
Parámetros en bloqueo (polarización inversa).
Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el
dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha.
Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1
ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada.
Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una
sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más.
Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el
diodo puede destruirse o degradar las características del mismo.
Tensión inversa contínua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado
de bloqueo.

6. -Parámetros en conducción:
Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de
impulsos sinusuidales de 180º que el diodo puede soportar.
Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms ,
con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula
(normalmente 25º).
Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable,
una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms.
Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el
estado de conducción.
Modelos estáticos del diodo

7. Los distintos modelos del diodo en su región directa (modelos estáticos) se representan
en la figura superior. Estos modelos facilitan los cálculos a realizar, para lo cual debemos
escoger el modelo adecuado según el nivel de precisión que necesitemos.
Estos modelos se suelen emplear para cálculos a mano, reservando modelos más
complejos para programas de simulación como PSPICE. Dichos modelos suelen ser
proporcionados por el fabricante, e incluso pueden venir ya en las librerías del programa.

8. Dioso para baja frecuencia
Diodos de conmutación
rápida (Fast y Ultrafast
Diodos Schottky
Diodos de alta tensión
Diodos de alta corriente
Tipos de diodos.

9. Electrónica de potencia.
Es la parte de la electrónica encargada del estudio de
sispositivos, circuitos, sistemas y procedimientos para el procesado, control y
conversión de la energía eléctrica.
Dispositivos semiconductores de potencia
1. NO CONTROLADOS.
• Diodos (ON OFF)
2. SEMICONTROLADOS
• TIRISTORES
• SCR
• TRIAC
3. TOTALMENTE CONTROLADOS
• BJT
• MOSEFET
• IGBT
• GTO

10. DIODO DE POTENCIA
 Estructura P-N
Posee región N intermediaria para soportar alta
 Circulación de I en un solo sentido.
 Soporta tensiones orden de Kv y corrientes ordenadas
En régimen transitorio:
Recuperación Inversa.
Recuperación Directa.

11. TIPOS DE DIODOS
 Schottly. Caídas de tensión muy pequeñas.
No tensiones inversas.
 Recuperación Rápida. Circuitos de frecuencia elevada.
Tiempos de recuperación pequeño.
 Rectificador. Circuitos de frecuencia la tensión pequeña.
TIRISTORES
•Estrutura de cuatro capas (PNPN)
• Control por una señal OFF – ON
TIPOS:
• SCRs
• TRIACc.

12. SCR
 Soporta mayores I’s inversas
 Formado por cuatro capas (PNPN)
 Control por una señal OFF – ON
 Tres terminales Ánodo Cátodo puerto
 Incapaz de bloquear tensiones elevadas.
Características:
•Bloqueo de tensión directa, no conduce
corriente.
•Activa a pulso en puerta.
•Al conducir se mantiene Constante (ON)

13. SCR
Regiones de Funcionamiento:
• Zona de bloqueo inverso (Diodo)
• Zona de bloqueo directo. (ciruito abierto)
• Zona de conducción. (Interruptor)
Activación y Bloqueo
• Tensión excesiva. (Polarización directa)
• Pulso en puerta (corriente de puerta)
• Derivación de tensión.
• Temperatura.
•Luz. (tensión A-K por radiación)

14. TRIAC
 Tres Terminales. (A-k-G)
 Podemos controlar los sentidos de circulación
 Comporta como SRC anti paralelo
 Tensiones y corrientes diferentes para producir transición.
GTO
 Para bloquear interruptores en cualquier momento.
 Control mediante puerta (bloqueo a conducción y viceversa)
 Estructura de cuatro capas.
Activación similar al SCR.
Funcionamiento:
 Fácil extracción de portadores por puerta.
 Pérdida de portadores en capas centrales.
 Soporta tensión inversa C-K.
Absorción de portadores de la superficie conductora (G-K)
 No bloquea tensiones inversa.

15. TRANSISTORES
 Utilizan como interruptores.
Trabajan en zonas de saturación o
corte.
 Son totalmente controlados.
TIPOS DE TRASMISORES:
•BJT
•MOSFET
• DISPOSITIVOS HÍBRIDOS
•IGBT
TRANSITOR BIPOLAR DE POTENCIA (BJT)
* Son interruptores de potencia controlado por
corriente.

16. CARACTERÍSTICAS
 Fácil de controlar por el terminal de la base.
 Ventaja:
* Baja caída de tensión en saturación.
 Inconvenientes:
* Poca caída con tensiones y/o corrientes grandes
* Tiempo de almacenamiento y fenómeno avalancha.
ZONAS DE FUNCIONAMIENTO.
• Corte: Se activa como interruptor abierto.
• Activa: La corriente del colector es proporcional a la de la base.
• Saturación: Se comporta como interruptor cerrado casa ideal

17. CONEXIÓN DARLINGTON
•Ganancia de corriente:
• T2 no se satura ya que su unión esta siempre inversamente polarizada.

18. MOSFET (Metal- Oxid- Semiconductor-
Field Effect Transistor)
• Son transistores que pueden controlar por tensión.
• Tipos
* Canal N
* Canal P
ZONAS DE TRABAJO
•Corte: La tensión puerta y fuente es mas pequeña que la tensión umbral
( interruptor abierto)
• Ohmica: El transistor se comporta como interruptor cerrado con RON
• Saturación: Se comporta como interruptor cerrado.

19. CARACTERÍSTICAS
• Inconveniente: La potencia a manejar es bastante reducida.
• Son los transistores más rápidos (alta velocidad de conmutación)
• Inconveniente: RON varía mucho con la temperatura, por ende la corriente que por
el circula.
• Facilita de control gracias al aislamiento de puerta.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
• Reúne la facilidad de disparo de los MOSFET`s con las pequeñas
pérdidas en la conducción de los BJT´s

20. CARACTERÍSTICAS
• Control por tensión relativamente sencillo.
• Entre colector y emisor hay un comportamiento tipo bipolar.
• Tiene alta impedancia de entrada
• Baja pérdidas de conducción.

21. 1. ESTRUCTURA DEL SILICIO
El silicio es un elemento con una gran cantidad de aplicaciones. Es el segundo elemento
más abundante en la corteza terrestre (después del oxígeno) con un porcentaje en peso
del 25,7%. Está presente en multitud de materiales, tan diversos como la arena, la
arcilla, el vidrio o el hueso. El silicio puro no se encuentra en la naturaleza, pero bajo las
condiciones adecuadas pueden obtenerse en forma de estructuras monocristalinas. En
éstas los átomos se disponen según una red tipo diamante con simetría cúbica, en
donde cada átomo forma enlaces covalentes con otros cuatro adyacentes. Así todos los
átomos tienen la última órbita completa con ocho electrones (Figura 1).
Figura 1: Estructura cristalina del
silicio puro. En la figura se aprecia que todos
los electrones de valencia están
asociados a un enlace covalente.
Por tanto, al no existir portadores
libres, el silicio puro y
monocristalino a 0 K se comporta
como un material aislante.

22. 2. PORTADORES DE CARGA. EL ELECTRON
Y EL HUECO
En los materiales conductores la circulación de corriente es posible gracias a la
existencia de electrones libres. En los semiconductores también son los electrones
los responsables de la corriente. Sin embargo, puesto que en este caso provienen de
un enlace covalente y no de una nube electrónica, el fenómeno es más complejo, y
para su explicación se introduce un nuevo portador de carga ficticio: el hueco.
2.1 GENERACION TERMICA DE PORTADORES. EL ELECTRON Y EL HUECO.
Si se eleva la temperatura del monocristal de silicio por encima de 0 K, parte de la
energía térmica permite liberar alguno de los electrones. Ello produce dos efectos:
a. Aparece un electrón libre capaz de moverse a través de la red en presencia de un
campo eléctrico.
b. En el átomo al que se asociaba el electrón aparece un defecto de carga negativa,
es decir, una carga positiva, que se denomina hueco.

23. Globalmente, el cristal mantiene la neutralidad eléctrica, ya que no ha ganado ni
perdido cargas. Cuando se producen electrones libres en un semiconductor
únicamente por agitación térmica, existen huecos y electrones en números
iguales, porque cada electrón térmicamente excitado deja detrás de sí un hueco.
Un semiconductor con un número igual de huecos y electrones se denomina
intrínseco.
Recapitulando, los semiconductores se diferencian:
de los aislantes: La energía para liberar un electrón es menor en el semiconductor
que en el aislante. Así a temperatura ambiente el primero dispone ya de
portadores libres.
de los conductores: Los semiconductores poseen dos tipos de portadores de carga:
el electrón y el hueco.
En el caso del silicio puro monocristalino, el número de portadores libres a
temperatura ambiente es lo suficientemente bajo como para asegurar una alta
resistividad.

24. 2.2 RECOMBINACION DE PARES ELECTRON-HUECO
Tal y como se acaba de explicar, el hueco es un enlace covalente "no satisfecho". Si un
electrón atraviesa la zona en la que se encuentra el hueco puede quedar atrapado en él. A
este fenómeno se le denomina recombinación, y supone la desaparición de un electrón y de
un hueco. Sin embargo, como en el caso anterior, el material mantiene su neutralidad
eléctrica.
2.3 IMPURIFICACION O DOPADO DE LOS SEMICONDUCTORES
En un semiconductor intrínseco las concentraciones de huecos y de electrones pueden
alterarse mediante la adición de pequeñas cantidades de elementos llamados impurezas o
dopantes, a la composición cristalina. Como veremos a lo largo de este curso, es esta
característica de los semiconductores la que permite la existencia de circuitos electrónicos
integrados.
La cuestión es: ¿Qué sucede si además de elevar la temperatura por encima de 0 K
consideramos la presencia de impurezas en el silicio?. Supongamos que sustituimos un átomo
de silicio (que pertenece al grupo IV) por otro de fósforo (grupo V), pentavalente. Como sólo
hay la posibilidad de establecer cuatro enlaces covalentes con los átomos de silicio adyacentes,
un electrón quedará libre. Teniendo en cuenta esto, es fácil deducir que es lo que ocurrirá si se
sustituye un átomo de silicio por otro de un elemento perteneciente al grupo III, el boro por
ejemplo: evidentemente se introducirá un hueco, ya que el boro solo aporta tres electrones de
valencia. Las dos situaciones se clarifican en la Figura 2.

25. Figura 2: Introducción de impurezas en el silicio
Si la introducción de impurezas se realiza de manera controlada pueden modificarse las
propiedades eléctricas en zonas determinadas del material. Así, se habla de dopado tipo P ó N
(en su caso, de silicio P ó N) según se introduzcan huecos o electrones respectivamente.
Centrémonos ahora en el silicio tipo P. En la práctica, a temperatura mayor que cero este
material estará formado por:
• Huecos procedentes del dopado.
• Huecos procedentes de la generación térmica de pares e-/h+.
• Electrones procedentes de la generación térmica de pares e-/h+.
• Electrones y huecos procedentes de impurezas no deseadas.

26. Habitualmente, a temperatura ambiente, el nivel de dopado es tal que los huecos
procedentes de él superan en varios órdenes de magnitud al resto de portadores. Ello
confiere el carácter global P del material. Sin embargo, ha de tenerse en cuenta que existen
electrones. En este caso, los huecos son los portadores mayoritarios, y los electrones los
minoritarios. Si se trata de un material de tipo N, los portadores mayoritarios serán los
electrones, y los minoritarios los huecos. Con la tabla siguiente se pretende rematar estos
conceptos.
Material
Portadores
mayoritarios
Portadores
minoritarios
Silicio Puro - -
Silicio tipo P Huecos Electrones
Silicio tipo N Electrones Huecos
Hay que resaltar nuevamente que el dopado no altera la neutralidad eléctrica global
del material.

27. 3 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA SOBRE LOS SEMICONDUCTORES
Al presentar el concepto de portadores mayoritarios y minoritarios se ha asumido una
hipótesis de trabajo: que a temperatura ambiente (25ºC) la concentración de portadores
provocada por generación térmica es mucho menor que la causada por los dopados. Pues
bien, si se eleva la temperatura sobre la de ambiente se aumentará la tasa de pares
electrón/hueco generados. Llegará un momento en el que, si la temperatura es lo
suficientemente elevada, la cantidad de pares generados enmascare a los portadores
presentes debidos a la impurificación. En ese momento se dice que el semiconductor es
degenerado, y a partir de ahí no se puede distinguir si un material es de tipo N ó P: es la
temperatura a la cual los dispositivos electrónicos dejan de operar correctamente. En el caso
del silicio, esta temperatura es de 125 ºC.

28. 4 CONDUCCION ELECTRICA EN SEMICONDUCTORES
Dada la especial estructura de los semiconductores, en su interior pueden darse dos
tipos de corrientes:
Corrientes por arrastre de campo
Corrientes por difusión.
En los siguientes subapartados se explica cada unos de estos tipos de conducción.

29. CORRIENTE POR ARRASTRE DE CAMPO
Supongamos que disponemos de un semiconductor con un cierto número de electrones y
de huecos, y que aplicamos en su interior un campo eléctrico. Veamos que sucede con los
portadores de carga:
Electrones libres: Obviamente, la fuerza que el campo eléctrico ejerce sobre los electrones
provocará el movimiento de estos, en sentido opuesto al del campo eléctrico. De este
modo se originará una corriente eléctrica. La densidad de la corriente eléctrica (número de
cargas que atraviesan la unidad de superficie en la unidad de tiempo) dependerá de la
fuerza que actúa (qE), del número de portadores existentes y de la "facilidad" con que estos
se mueven por la red, es decir:
Je = en(qE)
en donde:
Je = Densidad de corriente de electrones
e = Movilidad de los electrones en el material
n = Concentración de electrones
q = Carga eléctrica
E = Campo eléctrico aplicado
La movilidad e es característica del material, y está relacionada con la capacidad de
movimiento del electrón a través de la red cristalina.

30. Huecos: El campo eléctrico aplicado ejerce también una fuerza sobre los electrones
asociados a los enlaces covalentes. Esa fuerza puede provocar que un electrón
perteneciente a un enlace cercano a la posición del hueco salte a ese espacio. Así, el
hueco se desplaza una posición en el sentido del campo eléctrico. Si este fenómeno se
repite, el hueco continuará desplazándose. Aunque este movimiento se produce por los
saltos de electrones, podemos suponer que es el hueco el que se está moviendo por los
enlaces. Este último párrafo se entiende a la perfección con Figura 3.
Figura 3: Movimiento de los
huecos debido al movimiento
de los electrones

31. La carga neta del hueco vacante es positiva y por lo tanto, se puede pensar en el hueco
como una carga positiva moviéndose en la dirección del campo eléctrico. Obsérvese que los
electrones individuales de enlace que se involucran en el llenado de los espacios vacantes
por la propagación del hueco, no muestran movimiento continuo a gran escala. Cada uno
de estos electrones se mueve únicamente una vez durante el proceso migratorio. En
contraste, un electrón libre se mueve de forma continua en la dirección opuesta al campo
eléctrico.
Análogamente al caso de los electrones libres, la densidad de corriente de huecos viene
dada por:
Jh = hp(qE)
en donde:
Jh = Densidad de corriente de huecos
h = Movilidad de los huecos en el material
p = Concentración de huecos
q = Carga eléctrica del hueco: igual y de signo opuesto a la del electrón
E = Campo eléctrico aplicado.
La movilidad h es característica del material, y está relacionada con la capacidad de
movimiento del hueco a través de los enlaces de la red cristalina. La "facilidad" de
desplazamiento de los huecos es inferior a la de los electrones.

32. Consideremos ahora el caso de un semiconductor que disponga de huecos y electrones, al
que sometemos a la acción de un campo eléctrico. Hemos visto cómo los electrones se
moverán en el sentido opuesta a la del campo eléctrico, mientras que los huecos lo harán en
según el campo. El resultado es un flujo neto de cargas positivas en el sentido indicado por
el campo, o bien un flujo neto de cargas negativas en sentido contrario. En definitiva, se
mire por donde se mire, la densidad de corriente global es la suma de las densidades de
corriente de electrones y de huecos:
J = Jh + Je = hp(qE) + en(qE)
CONDUCCION POR DIFUSION DE PORTADORES
Antes de entrar en el fenómeno de conducción por difusión vamos a explicar el concepto de
difusión. Imaginad (el que no tenga mucha imaginación que mire la Figura 4) que tenemos
una caja con dos compartimentos separados por una pared común. En un compartimento
introducimos un gas A, y en el otro un gas B.

33. Figura 4: Difusión de dos
gases a través de una
membrana porosa.
Si en un momento determinado se abre una comunicación entre las dos estancias parte
del gas A atravesará la pared para ocupar el espacio contiguo, al igual que el B. El
resultado final es que en ambas estancias tendremos la misma mezcla de gases A+B. La
difusión de partículas es un mecanismo de transporte puramente estadístico, que lleva
partículas "de donde hay más, a donde hay menos", siempre que no haya ninguna fuerza
externa que sea capaz de frenar dicho proceso. Matemáticamente puede expresarse esta
idea mediante la primera ley de Fick, que establece que el flujo de partículas que
atraviesa una superficie (J partículas/s/m2) es proporcional al gradiente de concentración (c partículas/m3) de
dichas partículas:

34. A la constante de proporcionalidad se le denomina difusividad, y tiene dimensiones de
m2/s.
¿Qué aplicación tiene esto a la conducción en los semiconductores?. Piensa en lo qué
sucedería si, por las razones que sean, tuviéramos un semiconductor tipo P cuya
concentración de huecos no fuera constante, sino variable según la dirección x. Los
huecos tenderán a emigrar de la región de alta concentración a la de baja concentración.
Esta migración de portadores, que se muestra en la Figura 5, es un proceso puramente
estadístico, originado por el movimiento térmico aleatorio de los portadores. No está
relacionado con la carga de los mismos o con la presencia de ningún campo eléctrico.
Figura 5: Densidad de corriente de difusión de huecos

35. La difusión no depende del valor absoluto de la concentración de portadores, sino de
solamente de su derivada espacial, es decir, de su gradiente.
En los metales, la difusión no es un proceso de importancia, porque no existe un
mecanismo mediante el cual se pueda generar un gradiente de densidad. Dado que un
metal únicamente hay portadores negativos de carga, cualquier gradiente de portadores
que se pudiera formar desequilibraría la neutralidad de la carga. El campo eléctrico
resultante crearía una corriente de arrastre, que de manera instantánea anularía el
gradiente antes de que pudiera darse la difusión. Por contra, en un semiconductor hay
portadores positivos y negativos de carga, por lo que es posible la existencia de un
gradiente de densidad de huecos y de electrones, mientras se mantiene la neutralidad de
la carga.

36. En un semiconductor, los componentes de la densidad de corriente de difusión pueden
expresarse de forma unidimensional mediante la ecuación:
en donde:
Jdifusión = Densidad de corriente de difusión
q = Carga del electrón
De, Dh = Difusividad de los electrones y de los huecos
n = Concentración de electrones
p = Concentración de huecos
El segundo término de la expresión tiene signo negativo porque la pendiente
negativa de los huecos da lugar a una corriente de los huecos.