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DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

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Darío Fernando Lema Vela

on 3 June 2014

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Transcript of DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

Dispositivos semiconductores de múltiples capas p-n
Junturas p-n
Teoría de Bandas
Semiconductores
DISPOSITIVOS
SEMICONDUCTORES

Impuros o extrínsecos
Las caracteristicas de los materiales semiconductores se pueden alterar significativamente añadiendo ciertos atomos de impurezas a un material semiconductor, estas impurezas modifican la banda de estructura, para cambiar las propiedades electricas del material
Existen 2 tipos de semiconductores extrínsecos o dopados:

Material tipo -n
Material tipo -p
Energía de Fermi:
Es la energía que hace referencia al ultimo nivel ocupado por un electrón. Por debajo de la cual los niveles de energía están ocupados y por encima de la cual los niveles energéticos están vacíos.

Circuitos Integrados
Durante la década pasada el circuito integrado ha llegado a ser, gracias a su extenso uso, un producto cuya función y objetivo son ahora del dominio de los no versados en la materia. La característica más notoria de un CI es su tamaño, es miles de veces más pequeña que una estructura semiconductora construida de la misma manera con componentes discretos. Un CI contiene miles de dispositivos semiconductores como transistores y compuertas lógicas.
Los circuitos integrados han iniciado una “segunda revolución industrial”, y se encuentran en el corazón de computadoras, relojes, cámaras, automóviles, aviones, robots, vehículos espaciales y todo tipo de redes de comunicaciones y de conmutación.
LED (Diodo Emisor de Luz)
Un diodo emisor de luz es un diodo de unión p-n que emite luz. Cuando la unión se polariza en sentido directo, muchos huecos son impul- sados desde su región p hacia la región de la unión, y muchos electrones son impulsa- dos desde su región n hacia la región de la unión. En la región de la unión, los electrones caen en huecos (se recombinan). Al recombinarse, el electrón puede emitir un fotón de energía aproximadamente igual al intervalo vacío. Esta energía (y por ello la longitud de onda del fotón y el color de la luz) se puede variar, usando materiales con diversos intervalos vacíos. Los diodos emisores de luz se usan mucho en pantallas digitales de relojes, equipos electrónicos, tableros de instrumentos en automóviles y en muchas otras aplicaciones más.
Junturas npn y pnp
Transistores
Un transistor de unión bipolar que contiene dos uniones p-n configuradas en un “emparedado”, que puede ser p-n-p o bien n-p-n. El transistor p-n-p se muestra en la figura. Las tres regiones se llaman emisor, base y colector.
Diodo Zener
Es un diodo que aprovecha al máximo la región de avalancha. Un uso frecuente del diodo Zener es como un voltaje de referencia en un sistema eléctrico o electrónico.
Escuela Politécnica Nacional
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Física General III
Proyecto de Investigación
Pablo Lema
Darío Lema
Michelle Peralbo
Introducción:
La energía de Fermi es un concepto que tiene muchas aplicaciones en la teoría del orbital, en el comportamiento de los semiconductores y en la física del estado sólido en general.
Para su demostración se supone que hay una gran cantidad N de átomos idénticos, suficientemente apartados con interacciones sean despreciables. Cada átomo tiene el mismo diagrama de niveles de energía. Se puede trazar un diagrama de niveles de energía para todo el sistema. Con el principio de exclusión, aplicado a todo el sistema, permite que cada estado esté ocupado por N electrones, en vez de uno sólo. Ahora acerquemos entre sí uniformemente a los átomos.
Debido a las interacciones eléctricas y al principio de exclusión, las funciones de onda se comienzan a distorsionar, en especial las de los electrones externos o de valencia.
Las energías correspondientes también se desplazan, algunas hacia arriba y otras hacia abajo, en cantidades variables, a medida que las funciones de onda del electrón de valencia se vuelven me- nos localizadas y se extienden sobre cada vez más átomos. Entonces, los estados de valencia que antes producían un estado en el sistema, con un nivel definido de energía que podía dar cabida a N electrones, ahora producen una banda que contiene N niveles muy cercanos
La teoría de bandas permite construir modelos sencillos para comprender el comportamiento de:
Conductores
Aislantes
Semiconductores
dispositivos semiconductores
Aislantes
:En un aislante a la temperatura del cero absoluto, la banda más alta que está totalmente llena, llamada banda de valencia, también es la más alta que tiene algunos electrones en ella. La siguiente banda más alta, llamada banda de conducción, está totalmente vacía

Conductores
:
como lo es un metal, hay electrones en la banda de conducción aun en el cero absoluto

Semiconductores
:
en el cero absoluto, tiene una banda de conducción vacía arriba de la banda de valencia llena. La diferencia es que en un semiconductor el intervalo vacío de energía entre esas bandas es relativamente pequeño, y los electrones pueden saltar con más facilidad para entrar a la banda de conducción
En particular, lo que importa es el grado con que los estados de cada banda estén ocupados, y la distancia, o intervalo vacío de energía, que haya entre bandas adyacentes. Un factor crucial es el principio de exclusión que establece que sólo un electrón puede ocupar determinado estado mecánico-cuántico.
Puros o Intrínsecos
El nivel de Fermi está situado cerca de la mitad de la brecha para un semiconductor y Eg es pequeña, un considerable número de electrones son térmicamente excitados de la banda de valencia a la banda de conducción.
Material tipo -n:

Se crea añadiendo todos aquellos elementos de impurezas que tengan 5 electrones de valencia, tal como el Sb,As y P
Diodos
En muchos dispositivos semiconductores, el principio esencial se basa en el hecho que la conductividad del material esté controlada por concentraciones de impurezas, que se pueden variar dentro de amplios límites, de una región de un dispositivo a otra. Un ejemplo de esto son las uniones p-n
El diodo es un dispositivo de dos terminales, que en situación ideal, se comporta como un interruptor común con la condición de que sólo puede conducir corriente en una dirección.
Al haber una repulsión mutua, los electrones libres en el lado n se dispersan en cualquier dirección. Cuando un electrón se difunde a través de la unión crea un par de iones, en el lado n con carga positiva y en el p con carga negativa.
Las parejas de iones positivo y negativo se llaman dipolos, al aumentar los dipolos la región cerca de la unión se vacía de portadores y se crea la llamada "Zona de deplexión o descértica".
El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada "Barrera de Potencial" que a 25 ºC vale:

0.3 V para diodos de Ge.
0.7 V para diodos de Si.
Polarización Directa
Polarización Inversa
Una unión p-n de semiconductores en un circuito
Gráfica que muestra la relación asimétrica entre corriente y voltaje
Otra aplicación de los diodos zener es desarrollar una onda cuadrada simple usando dos diodos Zener colocados espalda con espalda, como se muestra en la figura, esto se aplica a circuitos donde se necesiten valores constantes de voltaje menores al valor de llegada.
Dependiendo del material que este hecho el semiconductor, este emitirá una luz de un color diferente. Así podemos obtener diodos led que emitan luces de colores diferentes (aluminio, galio, indio, fosforo, etc).
Celdas Solares
El proceso inverso se llama efecto fotovoltaico. En él, el material absorbe fotones y se crean pares de electrón-hueco. Los pares creados en la unión p-n, o lo bastante cercanos para migrar hacia ella sin recombinarse, se separan por el campo eléctrico que describimos anteriormente, que barre los electrones hacia el lado n, y a los agujeros hacia el lado p. Este dispositivo se puede conectar con un circuito externo, con lo que se transforma en una fuente fem y produce una potencia. A un dispositivo de éstos se le llama con frecuencia celda solar, aunque no se requiera la luz solar. Cualquier luz con fotón de energía mayor que el intervalo vacío da resultado.

Así se controla la corriente en el circuito del colector, mediante la corriente en el circuito del emisor. Además, Vc puede ser bastante mayor que Ve, por lo que la potencia disipada en R puede ser mucho mayor que la suministrada al circuito emisor por la batería Ve. Así, el dispositivo funciona como amplificador de potencia. Si la caída de potencial a través de R es mayor que Ve, también puede ser un amplificador de voltaje.
Se usan transistores de tipo pnp o npn comercialmente conocidos como transistores (datasheet 2n3906 ó 2n3904 respectivamente) según su funcionamiento ya que varían las corrientes q salen o entran al Emisor al Colector o la Base
Aquí podemos ver las características de un transistor tipo npn, considerado como un dispositivo amplificador controlado por corriente
Rectificador Controlado de Silicio (SCR)
Un SCR es un dispositivo semiconductor de cuatro capas (pnpn) pero que sólo dispone de tres terminales y su uso se basa en que la conexión que sale de la capa p intermedia sirve como compuerta que controla el estado de circuito abierto o cerrado de esa terminal.
El electrón adicional debido al atomo de impureza está desasociado de cualquier enlace covalente particular, es libre de moverse dentro del material , puesto que el atomo de impureza donado un electron relativamente libre a la estructura se los denomina atomos donantes
Material Tipo p:
Se forma dopando un cristal de Ge o Si puro con atomos de impureza que tengan 3 electrones de valencia(B, Ga, In)
Hay un numero insuficiente de electrones para completar los enlaces covalentes del nuevo enrejado formado, esta vacante se denomina hueco, las impurezas agregadas se denominan atomos aceptores
DIAC
El DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo.
Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta que se alcanza la tensión de avalancha en la unión del colector.
TRIAC
El triac es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos. El triac puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.
Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas.
Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés.
Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros.
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