Download - Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1 TEMA 1: SEMICONDUCTORES Mª Dolores Borrás Talavera
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
TEMA 1:
SEMICONDUCTORES
Mª Dolores Borrás Talavera
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
1. Introducción2. Metales, aislantes y semiconductores:
1. Conducción eléctrica2. Bandas de energía
3. Conducción intrínseca y extrínseca:1. Par electrón-hueco2. Contaminación de un semiconductor
4. La unión P-N5. Estudio cualitativo del transistor de unión
BJT
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
INTRODUCCIÓN
Átomo: estructura
Ne-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Borde del núcleo
1er nivel de energía
2o nivel de energía
3er nivel de energía
r1
r3
r2
r= radio orbital
r
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
Bandas de energía
Ne-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Ne-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Ne-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Si
SiSiSi
Si Si
Átomos de silicio
Cristal de silicio
Borde del núcleo
1er nivel de energía
2o nivel de energía
3er nivel de energía
r1
r3
r2
Niveles de energía de los átomos
Banda de valencia
Banda de conducción
Bandas de energía del cristal
METALES, AISLANTES Y SEMICONDUCTORES
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
Banda de valencia
llena
Banda de conducción
vacía
Banda prohibida6 eVBanda de
conducción
Banda de
valencia
1 eV
Banda de conducción
vacía
Banda prohibida
Banda de valencia
llena
ConductorAislante Semiconductor
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
CONDUCCIÓN INTRÍNSECA Y EXTRÍNSECA
Conducción intrínseca
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
0ºKC, Si, Ge
Grupo IV de la tabla periódica
1s2
2s2 2p2
3s2 3p2 3d10
4s2 4p2
Faltan 4 electrones en la última capa
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
CONDUCCIÓN INTRÍNSECA Y EXTRÍNSECA
Conducción intrínseca
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
0ºK
300ºK+
Electrón Hueco
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
Acción del campo eléctrico
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
Acción del campo eléctrico
Conclusiones:
La corriente en un semiconductor es debida a dos tipos de portadores de carga: HUECOS y ELECTRONES
La temperatura afecta fuertemente a las propiedades eléctricas de los semiconductores:
mayor temperatura
más portadores de carga
menor resistencia
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
Impurezas del grupo V de la tabla periódica (Sb):
1s22s22p63s23p64s2 3d104p65s24d105p3
Faltan 3 electrones en la última capa
Sb
Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Sb
+
A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados
+
Conducción extrínseca
Fabricación de cristal tipo N
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
Conducción extrínseca
Fabricación de cristal tipo N
Sb
Sb
SbSb
Sb
Sb
SbSb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Impurezas grupo V
300ºK
+
+
++
+
+
++
+
+
+
+
+
+
+
+
Electrones libresCarga móvil
Átomos de impurezas IonizadosCarga estática
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son electrones libres. Actúan como portadores de carga negativa
Los portadores minoritarios de carga en un semiconductor tipo N son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.
Huecos libresCarga móvil
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
Conducción extrínseca
Fabricación de cristal tipo P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
Al: aluminioImpurezas del grupo III de la tabla periódica:
1s22s22p63s23p1
Faltan 5 electrones en la última capa
Al
Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Al
-+
A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados
+
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
Conducción extrínseca
Fabricación de cristal tipo P
Al
Al
AlAl
Al
Al
AlAl
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Impurezas grupo III
300ºK
-
-
--
-
-
--
-
-
-
-
-
-
-
-
Huecos libresCarga móvil
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.
Los portadores minoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Electrones. Actúan como portadores de carga negativa.
Electrones libresCarga móvil
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
La conducción intrínseca es dependiente de la temperatura
La conducción extrínseca depende del grado de dopado o densidad de
donadores / aceptadores
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
UNIÓN P-N
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- +
+
+ + +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
Exceso de electrones y de huecos en un semiconductor N y en uno P
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
UNIÓN P-N
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
-
-
-
- +
+
+ +
+
+-
Zona de transición
Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada ‘zona de transición’. Que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
Unión P-N polarizada inversamente
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
++
+
+
+
-
-
-
- +
+
+ +
+
-
-
-
-
+
+
+
+
+
La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente por parte de los mayoritarios.
P N
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
Unión P-N polarizada inversamente
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
++
+
+
+
-
-
-
- +
+
+ +
+
-
-
-
-
+
+
+
+
+
La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa hay circulación de corriente por parte de los minoritarios Corriente inversa muy baja (A-pA)
P N
+- +-
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
Unión P-N polarizada directamente
La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
++
+
+
+
-
-
-
- +
+
+ +-
-
-
-
+
+
+
+
+P N
+
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
Unión P-N polarizada directamente
+-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
++
+
+
+
-
-
-
- +
+
+ +-
-
-
-
+
+
+
+
+
La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unión.
P N
+
Concentración de huecos Concentración de electrones
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
ESTUDIO CUALITATIVO DEL TRANSISTOR DE UNIÓN BJT
Un transistor bipolar está formado por dos uniones PN.
P N P N P N
E C
B B
CE
PNP NPN
B B
C CE E
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
-
-
-
-
- -
-
-
-
-
--
-
-
-
- +
+
++
+
+
++
+
+
+
+++
++-
-
-
-
--
-
-
-
-
--
-
-
-
-
+
+
++
+
+
++
+
+
+
++ +
+ +
P N N P
Concentración de huecos
+ -
Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
N P
P
N NP
Si la zona central es muy ancha el comportamiento es el dos diodos en serie: el funcionamiento de la primera unión no afecta al de la segunda
Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
NP P
Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
N PP
Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
N PP
Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
N PP
Emisor
Base
Colector
Transistor PNP
El emisor tiene una concentración de impurezas muy superior a la del colector: emisor y colector no son intercambiables
El terminal de base actúa como terminal de control manejando una fracción de la corriente mucho menor a la de emisor y el colector.
Principio de funcionamiento del transistor bipolar PNP
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
P NN
Principio de funcionamiento del transistor bipolar NPN
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
P NN
Emisor
Base
Colector
Transistor NPN
La mayor movilidad que presentan los electrones hace que las características del transistor NPN sean mejores que las de un PNP de
forma y tamaño equivalente. Los NPN se emplean en mayor número de aplicaciones..
Principio de funcionamiento del transistor bipolar NPN
Electrónica Analógica y de Potencia: Tema 1
Conclusiones
Un transistor bipolar está formado por dos uniones PN.
N+P
N-
C
EB
Para que sea un transistor y no dos diodos deben de cumplirse dos condiciones:
•La zona de Base debe ser muy estrecha.
•El emisor debe de estar muy dopado.
Normalmente, el colector está muy poco dopado y es mucho mayor.