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EXPOSITOR:EXPOSITOR:INGENIERO ELECTRONICO INGENIERO ELECTRONICO

MONTEZA ZEVALLOS FIDEL TOMASMONTEZA ZEVALLOS FIDEL TOMAS

Técnico Inspector FAPTécnico Inspector FAP

CATEDRATICO DE LA UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU

DOCENTE DE LA ESCUELA DE SUB OFICIALES DE LA Fuerza Aérea del Perú

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Teorías Atómicas y Electrónicas I

PERÚ

- INTRODUCCION.

- CONTENIDO :1.Naturaleza de los semiconductores.2.Semiconductor Intrínseco.3. Semiconductor Extrínseco.

3.1. Semiconductor de Silicio tipo N (Extrínseco).3.2. Semiconductor de Silicio tipo P (Extrínseco).

- CONCLUSIONES.

- BIBLIOGRAFIA.

I N D I C E

INTRODUCCION

Puede considerarse que cualquier átomo está compuesto por un núcleo situado en el centro del mismo y electrones que lo rodean girando en órbitas diferentes. El núcleo contiene neutrones que no poseen carga eléctrica y protones que poseen carga positiva. Los neutrones y protones tienen esencialmente el mismo peso, llamándose peso atómico relativo del elemento al peso combinado de todos los neutrones y protones que contiene un átomo.

El número de protones del núcleo determina el número atómico del elemento y la carga positiva neta del núcleo. Si un elemento cualquiera tiene el número atómico usual pero un peso atómico diferente debido que contiene un número anormal de neutrones recibe el nombre de isótopo (deuterio - agua pesada).

En un átomo eléctricamente neutro, el número de electrones orbitales es igual al número de protones del núcleo, pues la carga del electrón es igual a la de un protón, pero el protón es aproximadamente 1800 veces más pesado.


1. Naturaleza de los semiconductores.

Si un átomo neutro pierde uno o más electrones orbitales adquiere carga positiva, en cambio si gana electrones adquiere carga negativa. Para que los electrones que rodean al núcleo cargado positivamente no caigan sobre él debido a la atracción entre cargas de signos opuestos deben girar en torno suyo. Cualquiera de dichos electrones giratorios tiene una cierta energía total asociada con el, en parte es cinética y en parte es potencial.

Supongamos el Ge o el Si empleados para la construcción de semiconductores.


Un átomo de Ge posee 32 protones en el núcleo y 32 electrones orbitando distribuidos en diferentes capas orbitales. La capa externa posee 4 electrones que determinan las propiedades químicas y eléctricas del elemento. A la capa que contiene a estos electrones (la más externa) se la denomina capa de valencia y los electrones también son de valencia y sirven para ligar átomos entre si en un sistema químico.


El Si también dispone de 4 electrones de valencia pero con una distribución diferente al Ge en las otras capas (14 electrones en total). Las órbitas sin ocupar situadas por encima de las de valencia se llaman niveles de excitación. El comunicarle a un electrón una energía suficiente puede hacerle saltar a un nivel de excitación, y aquí los electrones se encuentran tan débilmente ligados a sus órbitas que la aplicación de un campo eléctrico puede desplazarlos. Existen diversos niveles de valencia en diferentes materiales, y los primeros niveles de excitación están englobados en la banda de conducción.



La conducción no puede producirse más que si se aplica un campo eléctrico suficiente para elevar algunos electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. La excitación de un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción deja una vacante en la banda de conducción denominada hueco.

Los elementos pueden ser clasificados de acuerdo a sus propiedades conductivas en:

- Conductores- Aisladores- Semiconductores

Los semiconductores lo son de acuerdo a la cantidad de energía que debe recibir un electrón para saltar entre la banda de valencia y la banda de conducción.



Representación de los valores de la Conductividad de algunos materiales típicos



En los aisladores el intervalo es grande, en los conductores las bandas casi se solapan, y en los semiconductores el intervalo es relativamente estrecho.

En un semiconductor puro hay pocos electrones disponibles para la conducción cuando la temperatura es baja, pues son pocos los que disponen de la energía suficiente para saltar a la banda de conducción, cuando la temperatura aumenta la resistencia óhmica del material disminuye, y los electrones de valencia reciben energía cinética suficiente para que algunos salten a la banda de conducción.La conductividad del Si aumentará si aumenta el número de portadores, por elcontrario disminuirá si esta se disminuye.

La banda de valencia de un átomo de Si posee 4 electrones de valencia, cuando el elemento se encuentra en forma cristalina los electrones se alinean con los electrones de valencia de los átomos adyacentes conformando los enlaces covalentes, ligando los átomos en estructuras geométricas en el interior del cristal.



Se utiliza un método para controlar la conductividad de los semiconductores, la adición de ciertas impurezas que modifican las características conductivas.

Consideremos la adición de una diminuta porción de Arsénico a una masa de Ge fundido. Cuando el líquido se solidifica en un cristal, los átomos de Arsénico se distribuirán en modo uniforme por toda la estructura cristalina. Como hay muchos más átomos de Ge que Arsénico, cada uno estará rodeado por lo menos de 4 átomos de Ge.El Arsénico tiene valencia 5 en lugar de los 4 del Ge, entonces estos electrones formarán enlaces covalentes con el Ge y el quinto quedará débilmente ligado y sin ningún lugar particular a donde ir. Será necesaria una pequeña cantidad de energía para desplazar este electrón a la banda de conducción, pero al desplazarse no deja atrás ningún hueco.Pueden emplearse otras impurezas pentavalentes como Fosforo o Antimonio para obtener un Ge/Si rico en electrones débilmente ligados por lo que se denominara material tipo N y las impurezas pentavalentes se denominan átomos donadores.



También es posible crear Ge/Si tipo P que es rico en huecos, añadiendo diminutas porciones de impurezas trivalentes en la masa fundida, las impurezas típicas o átomos aceptores pueden ser Al o Ga, ahora tendremos enlaces covalentes incompletos a los que le falta un electrón, en este caso el portador de corriente es un hueco (falta de electrón), resultando una abundancia de cargas positivas.

La adición controlada de impurezas se denomina DOPADO.

La diferencia fundamental entre Ge y Si es el ancho del intervalo de energía entre las bandas de valencia y conducción.

Con la teoría de semiconductores se inaugura la era del estado sólido, punto de quiebre en la tecnología electrónica abandonando casi completamente las válvulas gaseosas.




Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura.

2. Semiconductores Intrínsecos.

Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos.

En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción.

Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.


Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de Silicio (Si). Como se puede observar los átomos de Silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de Silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.

2. Semiconductores Intrínsecos.


Cuando a la estructura molecular cristalina del Silicio o del Germanio se le introduce cierta alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su cuerpo en una sola dirección.

3. Semiconductores Extrínsecos.

Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos semiconductores que en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [Como el Galio (Ga) o el Indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última órbita [Como el Antimonio (Sb) o el Arsénico (As)].

Para hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa mezclando los átomos de Silicio o de Germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas".

Una vez dopados, el Silicio o el Germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corriente eléctrica.

En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el uso de la industria electrónica es el cristal de Silicio (Si) por ser un componente relativamente barato de obtener.


A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea o cristal semiconductor de Silicio pulido con brillo de espejo, destinada a la fabricación de transistores y circuitos integrados. A la derecha aparece la cuarta parte de la oblea conteniendo cientos de minúsculos “chips”. Esos chips son los que después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se convertirán en transistores o circuitos integrados. Una vez que los chips se han convertido en transistores o circuitos integrados serán desprendidos de la oblea y colocados dentro de una cápsula protectora con sus correspondientes conectores externos.



3. Semiconductores Extrínsecos.La materia prima empleada para fabricar cristales semiconductores de Silicio es la arena, uno de los materiales más abundantes en la naturaleza.

Durante mucho tiempo se empleó también el Selenio (S) para fabricar diodos semiconductores en forma de placas rectangulares, que combinadas y montadas en una especie de eje se empleaban para rectificar la corriente alterna y convertirla en directa.

Entre esas combinaciones se encuentra la formada por el Galio (Ga) y el Arsénico (As) utilizada para obtener Arseniuro de Galio (GaAs), material destinado a la fabricación de diodos láser empleados como dispositivos de lectura en CDs de audio.

En su forma industrial primaria el cristal de Silicio tiene la forma de una oblea de muy poco grosor (entre 0,20 y 0,25 mm aproximadamente), pulida como un espejo.

Hoy en día además del Silicio y el Germanio, se emplean también combinaciones de otros elementos semiconductores presentes en la Tabla Periódica.



Lente (señalada con la flecha) detrás de la cual se encuentra instalado un diodo láser de Arseniuro de Galio (GaAs) empleado para leer datos de texto, presentaciones multimedia o música grabada en un CD. En esta ilustración el CD se ha sustituido por un disco similar transparente de plástico común.

Placa individual de 2 x 2 cm de área, correspondiente a un antiguo diodo de Selenio.


3.1. Semiconductor de Silicio tipo N (Extrínseco).Como ya conocemos, los átomos de Silicio ni los de Germanio en su forma cristalina ceden ni aceptan electrones en su última órbita; por tanto no permiten la circulación de la corriente eléctrica y se comportan como materiales aislantes.

Pero si la estructura cristalina de uno de esos elementos semiconductores la dopamos añadiéndole una pequeña cantidad de impurezas provenientes de átomos de un metaloide como por ejemplo Antimonio (Sb) (Elemento perteneciente los elementos semiconductores del Grupo Va de la Tabla Periódica con cinco electrones en su última órbita o banda de valencia).

Estos átomos se integrarán a la estructura del Silicio y compartirán cuatro de sus cinco electrones con otros cuatro pertenecientes a los átomos de Silicio o de Germanio, mientras que el quinto electrón restante del Antimonio al quedar liberado se podrá mover libremente dentro de toda la estructura cristalina. De esa forma se crea un semiconductor extrínseco tipo-N, debido al exceso de electrones libres existentes dentro de la estructura cristalina del material semiconductor.


3.1. Semiconductor de Silicio tipo N (Extrínseco).Estructura cristalina compuesta por átomos de Silicio (Si). Esta estructura se ha dopado añadiendo átomos de Antimonio (Sb) para crear un material semiconductor “extrínseco”.Los átomos de Silicio (con cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia) se unen formando enlaces covalentes con los átomos de Antimonio (con cinco en su última órbita banda de valencia).En esa unión quedará un electrón libre dentro de la estructura cristalina del Silicio por cada átomo de Antimonio que se haya añadido.De esa forma el cristal de Silicio se convierte en semiconductor tipo-N debido al exceso electrones libres con cargas negativas presentes en esa estructura.


3.2. Semiconductor de Silicio tipo P (Extrínseco).

Si en lugar de introducir átomos pentavalentes al cristal de Silicio o de Germanio lo dopamos añadiéndoles átomos o impurezas trivalentes como de Galio (Ga) (Elemento perteneciente al Grupo IIIa de la Tabla Periódica con tres electrones en su última órbita o banda de valencia), al unirse esa impureza en enlace covalente con los átomos de Silicio quedará un hueco o agujero, debido a que faltará un electrón en cada uno de sus átomos para completar los ocho en su última órbita.

En este caso, el átomo de Galio tendrá que captar los electrones faltantes, que normalmente los aportarán los átomos de Silicio, como una forma de compensar las cargas eléctricas.

De esa forma el material adquiere propiedades conductoras y se convierte en un semiconductor extrínseco dopado tipo-P (positivo), o aceptante, debido al exceso de cargas positivas que provoca la falta de electrones en los huecos o agujeros que quedan en su estructura cristalina.


3.2. Semiconductor de Silicio tipo P (Extrínseco).

Estructura cristalina compuesta por átomos de Silicio (Si) dopada ahora con átomos de galio (Ga) para formar un semiconductor “extrínseco”.

Como se puede observar en la ilustración, los átomos de Silicio (con cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia) se unen formando enlaces covalente con los átomos de Galio (con tres electrones en su banda de valencia).

En esas condiciones quedará un hueco con defecto de electrones en la estructura cristalina de silicio convirtiéndolo en un semiconductor tipo-P provocado por el defecto de electrones en la estructura.


3.2. Semiconductor de Silicio tipo P (Extrínseco).Resumen caso particular del Silicio.

DIRECCIONES INTERNET:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/campo/campo.htm

http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_9.htm

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