Universidad politécnica de honduras

Catedrático : Henry López

Alumnos: Cristhian machuca

sindy raudales

Clase: electrónica

24 de febrero del 2014

1.2 Materiales semiconductores: Ge, Si, y GaAs

Semiconductor: son una clase especial de elementos cuya conductividad se encuentra entre lo de un buen conductor y la de un aislante.

Los semiconductores se dividen en dos clases:

Cristal: germanio y silicio Compuesto: galio, sulfuro de cadmio, nitruro de cadmio, nitruro de galio, fosfuro

de galio y arsenico.

Semiconductores más utilizados: Ge, Si, y GaAs.

1954 se presentó el primer transistor de Silicio 1970 el primer transistor de GaAs.

1.3 Enlace Covalente y materiales intrínsecos

Silicio tiene 14 electrones en órbita y 4 electrones de valencia. Germanio 32 electrones y 4 electrones de valencia. Galio 31 electrones y 3 electrones de valencia Arsénico 33 electrones y 5 electrones de valencia

Si los electrones de valencia de suficiente energía cinética proveniente de causas externas para romper el enlace covalente y asumir el estado “libre”. El término libre aplica a cualquier electrón que se halla separado de la estructura entrelazada.

El termino intrínseco se aplica a cualquier material que haya sido cuidadosamente refinado para reducir el número de impureza a un nivel muy bajo; en esencia, lo más pura posible.

Los electrones libres presentes en un material debido a solo causas externas se conocen como portadores intrínsecos.

Portadores Intrínsecos

semiconductor Portadores intrínsecos (cm3 ¿GaAs 1.7 x106

Si 1.5 x1010

Ge 2.5 x1013

Factor de Movilidad relativa a μn

Semiconductor μn(cm2/V * S)

Si 1500Ge 3900

GaAs 8500

La capacidad de cambiar las características de un material mediante este proceso se llama impurificación o dopado.

Una importante e interesante diferencia entre semiconductores y conductores en su reacción ante la aplicación de calor. Esto se debe a que el número de portadores en un conductor no se incrementan de manera significativa con la temperatura. Se dice que los materiales que reaccionan de esta manera tienen un coeficiente de temperatura positivo. Los materiales semiconductores, presenta un nivel incrementado de conductividad con la aplicación de calor.

1.4 Niveles de Energía

Dentro de la estructura atómica de cada átomo aislado hay niveles específicos de energía asociados con cada capa y electrón en órbita. Los niveles de energía asociados con cada capa son diferentes según el elemento de que se trate. Sin embargo en general.

Cuando más alejado esta un electrón del núcleo, mayor es su estado de energía y cualquier electrón que haya abandonado a su átomo padre tiene un estado de energía mayor que todo electrón que permanezca en la estructura atómica.

1.5 Materiales Extrínsecos: Materiales Tipo n y Tipo p

Un material semiconductor que ha sido sometido a un proceso de dopado se conoce como un material extrínseco.

Hay dos materiales extrínsecos de mucha importancia en la fabricación de dispositivos semiconductores: materiales tipo n y tipo p.

Material tipo n:

Un material tipo n se crea introduciendo elementos de impureza que contienen cinco electrones de valencia, como el antimonio, el arsénico y fosforo.

Las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se conocen como átomos donadores.

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.

Las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se llaman átomos aceptores.

Los materiales tipo p es eléctricamente neutro por las mismas razones descritas para el material tipo n.

Flujo de electrones contra Flujo de Huecos

Si un electrón de valencia adquiere suficiente energía cinética para romper su enlace covalente y llenar el vacío creado por un hueco entonces se creara un vacío o un hueco en la banda covalente que cedió el electrón. Existe por consiguiente, una transferencia de huecos hacia la izquierda y de electrones hacia la derecha. Se usara “flujo convencional”.

Portadores mayoritarios y minoritarios

En el estado intrínseco el número de electrones libre en Ge o Si se debe solo a los electrones en la banda de valencia que adquirieron suficiente energía de fuentes térmicas o luminosas para romper la banda covalente a 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 el material tipo n, el número de huecos no cambia significativamente con respecto a este nivel intrínseco.

E n un material tipo, el hueco es el portador mayoritario y el electrón el minoritario.

Cuando el quinto electrón de un átomo donador abandona el átomo padre, el átomo que queda adquiere una carga positiva neta. Los materiales tipo n y p representan los bloques de construcción básicos de los dispositivos semiconductores.

1.6 Diodo Semiconductor

El diodo semiconductor se crea uniendo un material tipo n a un material tipo p.

Sin polarización aplicada V= 0 V

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.

Distribución de carga interna: VD= 0 V (sin polarización) Símbolo de diodo con polarización definida y la dirección de la corriente:

Demonstración de que el flujo de portadores neto es cero en la terminal externa del dispositivo cuando VD= 0 V.

Esta región de iones positivos y negativos revelados se llaman región de “empobrecimiento”, debido a la disminución de portadores libres en la región.

Si se conectan cables conductores a los extremos de cada material se produce un dispositivo de “dos terminales”. Se dispone entonces tres opciones: sin polarización, polarización en directa y polarización en inversa.Polarización se refiere a la aplicación de voltaje externo a través de las dos terminales del dispositivo para extraer una respuesta.La ausencia de voltaje a través de un resistor produce una corriente cero a través de el. Es importante señalar la polaridad del voltaje a través del diodo y la dirección dada a la corriente. Esas polaridades serán reconocidas como las “polaridades definidas” del diodo semiconductor.

Sin ninguna polarización aplicada a través de un diodo semiconductor el flujo neto de carga en una dirección es cero.

La corriente en condiciones sin polarización es cero.

Condición de polarización en inversa (VD < 0 V)El efecto neto por consiguiente, es una mayor apertura de la región de empobrecimiento, la cual crea una barrera demasiado grande para que los portadores mayoritarios lo puedan superar, por lo que el flujo de portadores mayoritarios se reduce efectivamente a cero.

La corriente en condiciones se polarización en inversa se llama corriente de saturación en inversa y está representada por Is.

Polaridad de polarización en inversa y dirección de la corriente de saturación en inversa

Saturación se deriva del hecho de que alcanza su nivel máximo con rapidez y que no cambia de manera significativa con los incrementos en el potencial de polarización en inversa.

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.

Polarización directa y dirección de la corriente resultante

La aplicación de un potencial de polarización en directa “presionara” a los electrones en el material tipo n y a los huecos en el material tipo p para que se recombinen con los iones próximos al límite y reducirá al ancho de la región de empobrecimiento. En general el voltaje a través de un diodo polarizado en directa tiene un máximo de 1 volt. Por consiguiente en general en voltaje a través de un diodo polarizado en directa será menor que un volt.

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:

Dónde:Is es la corriente de saturación en inversaVD voltaje de polarización en directa a través del diodon factor de idealidad (n=1) Vt voltaje térmico

La dirección definida de la corriente convencional en la región de voltaje positivo corresponde a la punta de flecha de símbolo de diodo.

Por lo común la corriente de saturación en inversa real de un diodo comercial será medible a un valor mayor que la que aparece como la corriente de saturación en la inversa en la ecuación de Shockley.

Región de Zener

Hay una región donde la aplicación de un voltaje demasiado negativo producirá un cambio abrupto de las características. El potencial de polarización en inversa que produce este cambio dramático de las características se llama potencial de Zener (Vz).

El máximo potencial de polarización en inversa que se puede aplicar antes de entrar a la región Zener se llama voltaje inverso pico (PIV) o voltaje de reversa (PRV).

Ge, Si y GaAs

Voltaje Vk de rodilla

Semiconductor Vk (V)Ge 0.3Si 0.7

GaAs 1.2

Efectos de la Temperatura

La temperatura puede tener un marcado efecto en las características de un diodo semiconductor.

En la región de polarización en directa las características de un diodo de silicio se desplaza a la izquierda a razón de 2.5 mV por grado centígrado de incremento de temperatura.

En la región de polarización en inverso la corriente de saturación en inversa de un diodo de silicio se duplica por cada 10 ºC de aumento de la temperatura.

El voltaje de saturación en inversa de un diodo semiconductor se incrementara o reducirá con la temperatura según el potencial Zener.

1.7 Lo Ideal Vs Lo PrácticoEl diodo está actuando como un interruptor cerrado que permite un flujo abundante de carga en la dirección indicada.

En esta 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.

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 es importante tener en cuenta que:

El diodo semiconductor es diferente del interruptor mecánico en el sentido de que cuando este se cierra solo permite que la corriente fluya en una dirección.

1.8 Niveles de ResistenciaA medida que un punto de operación de un diodo se mueve de una región a otra, su resistencia también cambia debido a la forma no lineal de la curva de características.

Resistencia de CD o EstáticaLa aplicación de un voltaje de cd a un circuito que contiene un diodo semiconductor produce un punto de operación en la curva de características que no cambian con el tiempo.

Cuanto mayor sea la corriente a través de un diodo, menor será el nivel de resistencia de cd.

Resistencia del CA o dinámica

Cuanto más bajo este el punto de operación, más alta es la resistencia del ca.

Resistencia del ca Promedio

1.9 Circuitos equivalentes del Diodo Un circuito equivalente es una combinación de elementos apropiadamente

seleccionados para que representen mejor las características terminales reales de un dispositivo o sistema en una región de operación particular.

1.10 Capacitancias de Difusión y Transición

Es de suma importancia tener en cuenta que:

Todo dispositivo electrónico o eléctrico es sensible a la frecuencia.

Es decir las características terminales de cualquier dispositivo cambian con la frecuencia. Incluso la resistencia de un resistor básico, como el de cualquier construcción, es sensible a la frecuencia aplicada.

En el diodo los niveles de capacitancia parasita son los que tiene un mayor efecto

En la región de polarización en inversa tenemos la capacitancia de transición o de región de empobrecimiento (Gt) en tantoque en la región de polarización en directa tenemos la capacitancia de almacenamiento o difusión (CD)

1.11 tiempo de recuperación en inversa

Existen ciertos datos que normalmente vienen en las hojas de especificaciones de diodos provistas por los fabricantes una de ellos que aun no se ha considerado es el del tiempo de

recuperación en inversa denotado por t

La mayoría de los diodos de conmunicasion comerciales tienen un t en el intervalo de angunos nanosegundos a 1 ms . hay unidades disponibles sin embargo, con un t d solo unos

cientos de picosegundos (1012 s¿

1.12 Hojas de especificaciones de diodos

Com mas frecuencia dan una descripción muy breve tal vez limitada a una pagina. En otras ocasiones proporcionan un examen completo de las características mediante graficas

material grafico 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 macima en directa If (a una temperatura especificada )

3. La corriente de saturación en Inverso IR (a un voltataje y temperatura especificados )

4. el valor nominal de voltaje inverso [ PIV,PRV,o V(BR) donde BR proviene del termino

1.13 Notación para diodos semiconductores

La notación que con más frecuencia se utiliza para diodos semiconductores en la mayoría de los diodos cualquier marca. Ya sea un punto o una banda 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

1.14 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 ingles ) con una función de

verificación de diodo : 2 ) la sección óhmetros de un multímetro, o 3 ) un trazador de curvas.

Función de verificación de diodo

Aparece un medidor de pantalla digital con capacidad para verificar un diodo observe el pequeño símbolo de diodo arriba a la derecha de la perrilla giratoria cuando se pone en esta posición el diodo deberá estar en el estado “on” (encendido) y la pantalla indica el voltaje

de polarización en directa como 0.67 V el medidor cuenta con una fuente de corriente constante interna

Prueba con un óhmetro

la resistencia de un diodo semiconductor polarizado directamente es bastante baja comparada con el nivel de polarización inversa por consiguiente si

medimos la resistencia de un diodo con las conexiones indicadas