4. FÍSICA DE SEMICONDUCTORES. EL DIODO

Clasificación de los materiales

Sólidos: 

• Cristalinos: Bajada lenta de temperatura. Conducen electricidad.
• Amorfos: Bajada rápida de temperatura. No conduce electricidad.

Enlaces.

Enlace covalente : Es el enlace que se produce cuando dos átomos comparten electrones.

Enlace ionico: Es el enlace que surge cuando un átomo de metal cede electrones a un átomo de no metal, el que gana electrones se llama anión y el que los pierde cation.

Ejemplo: Cuando un átomo de silicio se junta con otro, es un enlace covalente porque no pierden ionización sino que la comparten.

Imperfecciones del silicio monocristalino:

• Fallo por ausencia (Defecto Scholtky): Falta una tomo, a esta ausencia se le llama hueco. 
• Fallo por sustitución (Defecto antiestructural): Hay un átomo de otro elemento.
• Fallo por distocación: Los planos de cristalización no mantienen la continuidad, el semiconductor se vuelve desechable.

Teoría de bandas.

Materiales Semiconductores.

Semiconductores Intrínsecos y Extrínsecos.

Intrínsecos: Presentan una conductividad nula a bajas temperaturas, débilmente conductores a temperatura ambiente. Mismo numero de huecos que de electrones, el riesgo de recombinación es muy alto.

Extrínsecos: Son aquellos en los que se ha introducido un elemento contaminante generalmente del grupo 3 o 5. Distinto numero de huecos que de electrones.

Recombinación: Se agota el hueco porque el electrón vuelve a caer dentro del hueco. La corriente disminuye.

Semiconductores Extrínsecos.

• Tipo N: Portadores mayoritarios de electrones. Se consigue dopando al semiconductor con elementos del grupo 5 (P, As, Sb). Al átomo contaminante se le llama tomo dador.

• Tipo P: Portadores mayoritarios de huecos. Se consigue dopando al semiconductor con elementos del grupo 3 (B, In, Ga, Al). Al átomo contaminante se le llama ion aceptador.

Notas:

• En la banda de valencia tiene lugar la conducción por huecos.
• En la banda de conducción tiene lugar la conducción por electrones.
• El hueco libre se desplaza en sentido del campo eléctrico.

Conducción de semiconductores.

Maxwell- Bolzman (Distribución de la carga según la energía) 

ni = densidad de electrones en Bc.

Semiconductor Intrínseco:

• Electrones en Bc: ni = nce ^ - ec-ei / kt
• Huecos en Bv: pi = nve  ^ - ei-ev/ kt

nc = numero max de lectrones en Bc.

ei = nivel de Fermi, esta en la mitad de la banda prohibida.

Semiconductores en equilibrio térmico.

Equilibrio térmico: ni = pi

Como el número de conductores en un semiconductor intrínseco, es el mismo, dado que se crean en pares, sus densidades también deben serlo.

Ley generación: 

 

Si las concentraciones d electrones y huecos se ven alterados por procesos de desequilibrio térmico, el nivel de Fermi variara para reflejar la nueva situación, de modo que se sigue cumpliendo que el producto de sus contracciones es una constante.

Ley de recombinación: 

Corriente total en un semiconductor.

La corriente total es la suma de la corriente de difusión y la corriente de arrastre.

Unión PN.

La unión PN es la estructura fundamental de los semiconductores principalmente diodos y transistores. 

Se forma por la unión metalúrgica de dos cristales, generalmente de silicio (Si), de naturaleza p y n, según su composición a nivel atómico. 

Estos tipos de cristal se obtienen al dopar cristales de metal puro. 

Corriente de difusión.

Los electrones en la banda de conducción tienden a comportarse como las partículas de un gas ideal, sometidas a agitación térmica. La corriente de difusión es el movimiento que hacen las partículas al desplazarse.

Corriente de arrastre.

La corriente de arrastre, se da cuando hay un arrastre en el campo eléctrico, es el movimiento de una partícula cargada en respuesta a un campo eléctrico.

El diodo.

Un diodo está hecho de cristal semiconductor como el silicio con impurezas en él para crear una región que contenga portadores de carga negativa (electrones), llamada semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contenga portadores de carga positiva (huecos), llamada semiconductor tipo p.


Los terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de los electrones).

Modelos eléctricos del diodo.

1. Diodos ideal. Modelo elemental de conmutador de corriente.

2. Diodo Semi-ideal. Modelo conmutador de corriente con caída de tensión.

3. Conmutador de corriente con caída de tensión y resistencia equivalente.

El diodo semiconductor.

Polarización inversa.

La barrera de potencial se ensancha cuando se polariza el diodo. En inversa se le aplican al diodo tensiones negativas.

Polarización directa.

La barrera de potencial disminuye, las corrientes de arrastre están igual que en equilibrio térmico. Las corrientes de difusión aumentan exponencialmente.

Curva característica del diodo.

Diodo Zener.

Si a un diodo Zener se le aplica una tensión eléctrica positiva del ánodo respecto a negativa en el cátodo (polarización directa) toma las características de un diodo rectificador básico, pero si se le suministra tensión eléctrica positiva al cátodo y negativa al ánodo (polarización inversa), el diodo mantendrá una tensión constante.



En conclusión: el diodo Zener debe ser polarizado inversamente para que adopte su característica de regulador de tensión.

Características:

• El Zener conduce en inversa.
• Por la rama en la que esta el zener no pasa corriente.
• Vλ: Tensión umbral
• Vz: Tensión zener.