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ITESM Campus Monterrey, Departamento de Ing. Eléctrica José Gómez Quiñones

Electrónica y Semiconductores


Importancia

• Materia de vanguardia• Constantes cambios y avances• Miniaturización• La electrónica es la responsable del

avance tecnológico humano de los últimos tiempos

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Historia

• Antes bulbos de vacío (1920)• 1930, Transmisiones de radio• Descubrimiento (Invención) del transistor por

John Bardeen, Walter Brattain, WilliamsShockley en 1948

• 1950, Televisor• Ganadores del Nobel (Bardeen, Brattain y

Shockley) en 1956


Historia

• 1960, 70% de las aplicaciones implementadas en bulbos de vacío habían sido reemplazadas por transistores

• El transistor permitió que los diseños fueran más pequeños, de menor consumo de potencia, robustos.

• 1961 Tiristor GTO• 1964 Triac• 1970, Transistor BJT, 500V, 20A

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Historia

• 1971, Intel libera el procesador 4004 con 2300 transistores , 10u, 108kHz

• Surge el procesador Z80 (Zilog) como uno de sus más cercanos competidores

• Se consolida la electrónica como factor de avance tecnológico 1976 BJT, 400v, 400A

• Mosfet de Potencia


Historia

• 1982, Aparece la familia x86 de Intel, 80286 con 134,000 transistores, 6 MHz, tecnología 1.5u

• 1985 IGT (Transistor de Compuerta Aislada)

• 1987 MCT (Tiristor Controlado por MOS)• 1990 Telefonía Celular• 1993, Pentium, 3,100,000 transistores,

0.8u, 60MHz

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Historia

• 1999, Primeros “Micromachines” (MSM), dispositivos híbridos capaces de integrar mecanismos, óptica y electrónica.

• 2001, Pentium IV, 2.0 GHz, >30x10^6 transistores, 0.15u

• Televisores de Pantalla plana• Pantallas de Plasma


Tendencias

• Dispositivos óptico-electrónicos• Mayor integración• Dispositivos de mayor potencia y mayor

ancho de banda• Mayor Amplificación

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Historia

• Generación de Energía Limpia• Vehículos Eléctricos• Robots Domésticos• Superconductores


Simuladores Computacionales• PSpice Desarrollado en Stanford• El uso de simuladores permite observar el

comportamiento de los circuitos con variaciones teóricas en sus parámetros

• Son necesarios porque permiten confirmar la exactitud de los cálculos sin necesidad de tener circuitos de prueba

• Útiles en circunstancias peligrosas, análisis del peor caso, análisis térmico.

• Un simulador permite observar características en períodos de tiempo pequeños (análisis transitorio)

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Desventajas

• Exactitud del modelo• En un simulador no se queman los

circuitos• Capacidad o incapacidad de interpretación

de resultados por parte del que lleva a cabo la simulación


Materiales Conductores

• Cualquier material que soporte un flujo de carga, cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales.

• Los conductores fácilmente conducen la corriente eléctrica.

• Los mejores conductores son materiales de un solo elemento tales como, cobre, plata , oro, y aluminio.

• Se caracterizan por tener átomos con solo un electrón de valencia pobremente unido. Estos electrones fácilmente pierden esta unión y se vuelven electrones libres

• Un material conductor tiene muchos electrones libres, que cuando se mueven en una sola dirección hacen la corriente eléctrica

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Materiales Aislantes

• Un material que ofrece un nivel muy bajo de conductividad bajo la presión de una fuente de voltaje aplicada.

• Los mejores materiales aislantes se fabrican de materiales compuestos.

• En los aislantes, los electrones de valencia están fuertemente unidos a los átomos; existen muy pocos electrones libres en un material aislante


Materiales Semiconductores

• Un material que posee un nivel de conductividad sobre algún punto entre los extremos de un aislante y un conductor, es decir permite el flujo de carga bajo ciertas condiciones de operación, y se comporta como un aislante si no se aplica la cantidad de corriente o voltaje necesaria para conducir

• Los materiales semiconductores de un solo elemento más comunes son: silicio, germanio y carbón.

• Uno de los materiales semiconductores compuestos más comunes es el arseniuro de galio

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Valores típicos de resistividad

• Conductor 10-6 Ω-cm (Cobre)

• Semiconductor 50 Ω-cm (Germanio)

• Aislante 1012 Ω-cm (Mica)


Modelo de BhorEstructura Atómica del Silicio

+

Electrones de Valencia

Orbitas

Núcleo

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Niveles o Bandas de Energía

• En la estructura atómica existen niveles de energía discretos asociados con cada electrón en una órbita, cada material tendrá su propio conjunto de niveles de energía permisibles para los electrones en su estructura atómica.

• Entre mas lejos se encuentre un electrón del núcleo atómico mayor será la cantidad de energía que posea


Unión Covalente Átomo de Si

Si SiSi

SiSi Si

Si SiSi

SiSi Si

Si SiSi Si SiSi

Si SiSi Si SiSi Si SiSi Si SiSi

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

ElectronesCompartidos

Electronesde Valencia

Cuando elementos extremadamente puros, como el silicio o el germanio, se enfrían después de haber estado en forma líquida, sus átomos se acomodan en patrones ordenados llamados cristales. Los electrones de valencia determinan la forma exacta de la estructura del cristal resultante

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Modelo del átomo de Silicio


Molécula de Silicio

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Molécula de Silicio


Modelo del átomo del Germanio

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Molécula del Germanio


• Los átomos se unen en una estructura de manera que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia formando enlaces covalentes (a la unión de átomos reforzado por electrones compartidos se le llama enlace covalente)

• Aunque los electrones de valencia están unidos firmemente a la estructura, es posible que esos electrones rompan sus enlaces y sean capaces de moverse como electrones de conducción (también llamados electrones libres), esto sucede si es aplicada una cantidad suficiente de energía externa

• El término libre manifiesta que su movimiento será muy sensible a la aplicación de campos eléctricos como los que se generan por fuentes de voltaje

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Niveles de Energía

• Como hemos visto, en la estructura atómica aislada existen niveles discretos de energía asociados con cada electrón que orbita. Cada material tiene su propio conjunto permitido de niveles de energía

• IONIZACIÓN: Es el mecanismo por medio del cual un electrón puede absorber energía suficiente para escapar de la estructura atómica e ingresar a la banda de conducción


Niveles de Energía

• Mientras más distante se encuentre el electrón del núcleo, mayor es el estado de energía, y cualquier electrón que haya dejado a su átomo, tiene un estado de energía mayor que cualquier electrón en la estructura atómica

+

Electrones de Valencia

Orbitas

Núcleo

Existe un rango o una banda de posibles niveles de energía para los electrones de valencia, asimismo existe un rango o banda de niveles de energía para los electrones de conducción

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Niveles de EnergíaAislante

Banda de conducción

Banda de Valencia

Electrones librespara establecer la conducción

Electrones libresunidos a la estructuraatómica

GAP Eg> 5eV


Niveles de EnergíaConductor


Banda de Valencia

Las bandas se traslapan

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Niveles de EnergíaSemiconductor


Banda de Valencia



GAP Eg= 1.1eV (Si)Eg= 0.67eV (Ge)Eg= 1.41eV (GaAs)


Electrones y Huecos• Hueco es el espacio vacío que deja un

electrón cuando es excitado


Banda de Valencia



GAP Eg> 0.7 eV (Si)

Aumento de Temperatura

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Efecto de la Temperatura en Semiconductores

• A =0 K, todos los electrones están unidos a sus enlaces covalentes, no existen electrones libres ni se puede establecer la conducción, el material se comporta como un aislante

• A temperatura ambiente, algunos enlaces covalentes se rompen como resultado de la vibración térmica

• Algunos electrones se desprenden de los enlaces favoreciendo la conducción


Dinámica de la conducción

Si SiSi

SiSi Si

Si SiSi

SiSi Si

Si SiSi SiSi

Si SiSi Si SiSi Si SiSi Si SiSi

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-


Banda de Valencia

GAP

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Conducción en Materiales Semiconductores

• Los electrones en los átomos de silicio y germanio están unidos firmemente en la estructura cristalina formando enlaces, estos enlaces no se pueden romper sin recibir energía externa

• El enlace reticular es eléctricamente neutro• Cuando un enlace se mueve, un electrón se mueve

libremente a través de la estructura, el enlace permanece cargado positivamente, e intenta balancear la carga capturando un electrón.

• Vemos entonces que hay dos grupos independientes de portadores de carga, electrones de conducción y huecos

• Los huecos tiene propiedades similares a las de un electrón libre


Corrientes

• La agitación térmica produce un movimiento aleatorio de electrones en un semiconductor. Este fenómeno no produce ningún flujo neto de carga.

• A temperatura diferente de cero, los átomos en la estructura cristalina poseen energía cinética, y hay un intercambio continuo de electrones y huecos

• Sin embargo, si algún mecanismo provoca una concentración más alta en un extremo del semiconductor creando de este modo un gradiente, los electrones se difunden hacia el otro extremo, originando un flujo de carga neto conocido como corriente de difusión.

• Cuando se aplica un campo eléctrico se produce otro movimiento y los huecos y electrones libres son acelerados, este movimiento se conoce como corriente de arrastre.

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Semiconductores Intrínsecos

• Son materiales en los cuales hay una banda en la cual no hay electrones. Los electrones de valencia no se pueden mover libremente a través del material, sino que participan en enlaces covalentes manteniendo la estructura

• En un material intrínseco el número de huecos es igual al número de electrones, el proceso de generación crea al mismo tiempo un par electrón-hueco

• Los semiconductores instrínsecos NO son buenos conductores de electricidad.


Materiales Semiconductores

PSiAl

AsGeGa

CB

VIVIII

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Concentración de portadores intrínsecos

• B es una constante relacionada con el material• Eg es el nivel de energía del gap (eV)• T es la temperatura (K)• k es la constante de Boltzmann (86x10-6 eV/K)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

= kTEg

eBTni 22/3


Constantes en semiconductores

2.10x10141.41Arseniuro de Galio (GaAs)

1.66x10150.67Germanio (Ge)

5.23x10151.1Silicio (Si)

B(cm-3K-3/2)Eg(eV)Material

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Semiconductores Extrínsecos

• Las corriente inducidas en los semiconductores puros son relativamente pequeñas

• La conductividad en un semiconductor puede ser incrementada, si se introducen impurezas en el material


Dopado

• Cuando una impureza donante se agrega a un semiconductor aportando huecos o electrones libres sin que el átomo aportado pueda moverse

• La impureza puede aportar o huecos (impureza donadora), o electrones (impureza aceptadora)

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Material Tipo n

• Si la sustancia dopante tiene exceso de electrones libres, entonces se le llama donador y el semiconductor dopado seráde tipo n

• Los portadores mayoritarios serán electrones y los portadores minoritarios serán huecos


Material tipo n

Si SiSi

44

P Si

4

Si4 4

Si SiSi Si SiSi Si SiSi 4 44

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

-

Electrón Libre

Fosforo!

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Material Tipo n

• El Silicio es dopado con Fósforo, Arsénico, Bismuto o Antimonio

• Esos materiales fueron escogidos tomando en cuenta que sus átomos no causan problemas en la estructura cristalina

• Se crea un electrón libre a temperatura ambiente

• El silicio dopado con un material tipo n necesita solo 0.05eV para perder un electrón de valencia


Material Tipo p

• Si la sustancia tiene exceso de huecos entonces se le conoce como aceptador y será un semiconductor tipo p

• Los portadores mayoritarios serán huecos y los portadores minoritarios serán electrones

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Material Tipo p

Si SiSi

44

Si Si

4

Si Si4 3 4

Si SiSi Si SiSi Si SiSi 4 44

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

--

-

-

Enlace faltanteo hueco libre

Boro!


Material Tipo p

• Las impurezas en un aceptor tienen tres electrones de valencia

• Para formar un material tipo p se agregan átomos de Boro, Indio y Galio

• Como le hace falta un electrón de valencia entonces deja un hueco vacante en la estructura

• El hueco se mueve libremente y crea una carga positiva móvil

• La carga negativa esta fija en la estructura imposibilitada para moverse

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Equilibrio térmico

• no concentración en equilibrio térmico de electrones libres

• po concentración en equilibrio térmico de huecos libres

• ni concentración intrínseca de portadores

2ioo npn =


do Nn ≅

A temperatura ambiente (300K), cada átomo donador aporta un electrón libre al semiconductor. Si la concentración Nd es más grande que la concentración intrínseca, entonces podemos aproximar la expresión a:

Entonces la concentración de huecos:

d

io N

np2

=

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ao Np ≅

Similarmente, a temperatura ambiente, cada átomo aceptador adquiere un electrón de valencia, creando un hueco. Si la concentración de aceptores Na es mucho más grande que la concentración intrínseca entonces, podemos aproximar a:

Entonces la concentración de electrones:

a

io N

nn2

=


Corriente de arrastre

• La corriente de arrastre es causada por campos eléctricos.

• Se asume que un campo eléctrico E, aplicado en una dirección produce una fuerza en los electrones, en dirección opuesta, los electrones adquirirán una velocidad de arrastre vdn (en cm/s)

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Corriente de Arrastre

EepenJ pn σµµ =+=La densidad total de corriente de arrastre:

E

Jn

evdn

E

Jn

h vdp

Material tipo n Material tipo p


Corriente de Difusión

• Las partículas fluyen de una región de mayor concentración a una región de menor concentración.

• Estadísticamente en cualquier instante en particular, la mitad de las partículas de la región de mayor concentración se moverán hacia el lado de menor concentración

• Las partículas concentradas en la región de menor concentración, también se moverán a la región de mayor concentración

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Corriente de Difusión

• La concentración de portadores está en función de la distancia.

• El resultado es un flujo neto de partículas desde la región de alta concentración hacia la región de baja concentración

x

n

---- -++

+

++

-

- --

-- - - -+

+--

-

---


Exceso de Portadores

• Los electrones de valencia pueden adquirir suficiente energía para romper el enlace covalente y convertirse en electrones libres. Cuando esto ocurre, se producen huecos y electrones generando pares electrón-hueco.

• Entonces se produces exceso de huecos y exceso de electrones.

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Exceso de Portadores

• La creación del exceso de electrones y huecos no continua indefinidamente, esto es debido a que el electrón en exceso puede recombinarse con un hueco, en un proceso llamado recombinación electrón hueco.

• Tanto el hueco como el electrón desaparecen hasta alcanzar un estado estable


nnn o δ+=Exceso de electrones

ppp o δ+=Exceso de electrones

• no y po son las concentraciones de huecos y electrones en equilibrio térmico, δn y δprepresentan las concentraciones en exceso de electrones y huecos

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