Teoria De Los Semi Conduct Ores C3

Física III: Teoría de los Semiconductores C3  2009    FISCA III: TEORÍA DE LOS SEMICONDUCTORES  Construcción del Diodo de Silicio:  La unión de un cristal de un semiconductor tipo N con otro tipo P tiene un comportamiento que la  hace interesante en aplicaciones tanto analógicas como digitales. Esta Unión da lugar a una familia  de  dispositivos  básicos  denominados  diodos  y  a  otros  dispositivos  más  complejos  y  tecnológicamente aun más interesantes, que se denominan transistores de unión (BJT). 

  Comportamiento de la Unión P‐N:  Para  describir  el  comportamiento  de  la  unión  P‐N,  nos  basaremos  en  las  propiedades  descritas  anteriormente de los semiconductores intrínsecos y dopados.  El proceso de fabricación implica dopar una parte de un cristal de forma que se comporte como  tipo P y la otra parte del mismo de forma que se comporte como de tipo N. Es decir, en ningún  momento las partes N y P están separadas.  En el bloque N tenemos abundancia relativa de electrones libres (‐), Portadores Mayoritarios en N,  y escases de huecos (+) Portadores Minoritarios en N. Análogamente en el bloque P abundan los  huecos (+) Mayoritarios en P, y escasean los electrones (‐) Minoritarios en P. Por lo dicho tiende a  producirse un fenómeno de tipo no eléctrico sino termodinámico, que consiste en la difusión de  electrones desde donde abundan (bloque N) hacia donde escasean (bloque P), y análogamente se  difundirán huecos desde el bloque P al Bloque N. 

  Otra imagen más detallada (pero en otro idioma): 

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  En  cuanto  hayan  transcurrido  unos  instantes  y  se  haya  difundido  una  cierta  cantidad  de  portadores,  el  bloque  N  que  ha  perdido  electrones  y  ha  ganado  huecos,  va  cargándose  positivamente y, de la misma forma, el bloque P, que ha perdido huecos y ganado electrones va  cargándose negativamente.  Por  consiguiente,  aparece  una  diferencia  de  potencial    entre  N  y  P  de  manera  que  N  queda  a  mayor potencial respecto a P. Dicho potencial es el que hay que vencer para poder establecer una  corriente de portadores mayoritarios entre los dos extremos del semiconductor.  Condición de Polarización Inversa:  Si aplicamos un potencial externo de V voltios a la juntura P‐N de tal manera que el positivo de la  batería quede para el lado N del diodo (cátodo) y el negativo de la batería quede para el lado P del  diodo (ánodo) observamos que los mayoritarios (electrones) del lado N se alejan de la región de  agotamiento  (electrones)  y  los  portadores  minoritarios  (huecos)  de  este  lado  se  acercan  a  la  región de agotamiento, lo mismo sucede en el lado P. 

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Física III: Teoría de los Semiconductores C3  2009    Otra imagen más detallada (pero en otro idioma): 

  Nota del Profesor: Observe que esta imagen esta al revés de la imagen superior, aquí el lado P  esta a la izquierda y el N a la derecha, pero el lado positivo de la pila sigue estando conectado en  N, otra diferencia es que aquí llaman   a la corriente inversa de saturación (arriba llamada  );  Note que arriba dice que   es corriente de Minoritarios.  Se produce en este casi un ensanchamiento de la región de agotamiento, haciendo casi imposible  la conducción de portadores mayoritarios de un extremo a otro del semiconductor, en cambio los  portadores  minoritarios  que  fueron  desplazados  hacia  la  región  de  agotamiento,  eventualmente  pueden pasar la barrera por efecto de la fuerza que los empuja hacia el otro semiconductor para  buscar su signo opuesto en el extremo de la batería, generándose una corriente muy pequeña que  solo se debe a portadores minoritarios y que se denomina corriente inversa de saturación  . La  corriente  inversa  de  saturación  rara  vez  alcanza  unos  cuantos  microamperios,  excepto  en  los  dispositivos de alta potencia. Para efectos prácticos optamos por hacer cero esta corriente debido  a su magnitud, sin desconocer que en realidad existe.  Condición de Polarización Directa:  Cuando aplicamos el potencial positivo de la batería al ánodo del diodo semiconductor, forzamos  los portadores mayoritarios de cada lado hacia la juntura, reduciendo la región de agotamiento y  facilitando  la  recombinación,  por  tanto  cuando  el  potencial  aplicado  es  igual  al  potencial  de  contacto, se logra vencer la barrera, estableciéndose un gran flujo de portadores mayoritarios de 

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  Otra imagen más detallada (pero en otro idioma): 

  Nota del Profesor: Observe que esta imagen esta al revés de la imagen superior, aquí el lado P  esta a la izquierda y el N a la derecha, pero el lado positivo de la pila sigue estando conectado en P;  Note que arriba dice que   es corriente de Mayoritarios.  Prof. Jesús Barrueta   

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Física III: Teoría de los Semiconductores C3  2009    Se observa en esta condición que el potencial necesario para establecer dicha corriente es cercano  a 0,7V y 0,3V para el germanio. 

  Nota del Profesor: T1 y T2 hacen referencia a valores de temperatura.        Otra característica. Corresponde al silicio: 

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  Nota del profesor: En este caso la curva a trazo discontinuo representa una característica teórica  del diodo la cual no toma en cuenta la resistencia de los terminales ánodo y cátodo. La continua es  la característica real del Diodo de silicio, observe que la tensión umbral es 0,7V.  Obsérvese  que  la  escala  a  la  derecha  del  eje  X,  está  en  decimas  de  voltios  (0,3V;  0,7V;  etc.)  en  cambio  la  parte  izquierda  está  en  decenas  de  voltios  (‐10V,  ‐20V,  etc.),  quiere  esto  decir  que  aunque  apliquemos  tensiones  relativamente  elevadas  de  polarización  inversa  al  diodo  semiconductor,  la  única  corriente  que  existirá  será  la  corriente  inversa  de  saturación  y  es  demasiado pequeña (corriente de minoritarios).  Por  el  contrario  cuando  polarizamos  el  diodo  directamente,  vemos  que  con  unas  cuantas  centésimas de voltio comienza a existir corriente en sentido directo (mayoritarios) y se aumentan  exponencialmente para pequeños incrementos del voltaje de polarización directa.    Prof. Jesús Barrueta   

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Física III: Teoría de los Semiconductores C3  2009    Región Zenner:  Si  continuamos  aumentando  el  potencial  de  polarización  inversa  del  diodo  semiconductor,  llegamos a un punto en el cual es tan grande la energía suministrada a los portadores de la región  de  agotamiento  que  empezarían  a  saltar  la  barrera  y  se  produciría  un  efecto  de  avalancha  provocando  la  ruptura  de  la  unión,  con  el  desbordamiento  de  una  gran  corriente  inversa  que  destruiría el semiconductor. El potencial requerido para tal efecto se conoce como Voltaje Zenner  y es de unos cientos de voltios. 

  Silicio Vs Germanio:   Variable  Voltaje de Conducción ( )  Max. Temperatura  Voltaje Zenner ( ) 

Silicio (Si)  0,7V  200°C  ‐1000V 

Germanio (Ge)  0,3V  100°C  ‐400V 

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Física III: Teoría de los Semiconductores C3  2009    Símbolo Eléctrico del Diodo Semiconductor: 

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El Material tipo P recibe el nombre de ánodo (A).  El Material tipo N recibe el nombre de cátodo (K).  La flecha indica el sentido convencional de la corriente. 

Veamos el símbolo eléctrico, el esquema de bloques y un diodo real: 

  Observe que en el diodo real, la línea blanca indica cual es el cátodo (esto es el terminal negativo o  lado N). Un diodo LED, es aquel diodo que emite luz cuando esta en polarización directa. Este es  un Diodo LED: 

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