Electrónica básica - Semiconductores

UNA semiconductores una sustancia cuya resistividad se encuentra entre los conductores y los aislantes. La propiedad de resistividad no es la única que decide un material como semiconductor, pero tiene pocas propiedades como sigue.

  • Los semiconductores tienen una resistividad menor que los aisladores y mayor que los conductores.

  • Los semiconductores tienen coeficiente de temperatura negativo. La resistencia en semiconductores, aumenta con la disminución de temperatura y viceversa.

  • Las propiedades conductoras de un semiconductor cambian cuando se le agrega una impureza metálica adecuada, que es una propiedad muy importante.

Los dispositivos semiconductores se utilizan ampliamente en el campo de la electrónica. El transistor ha reemplazado los voluminosos tubos de vacío, a partir de los cuales el tamaño y el costo de los dispositivos se redujeron y esta revolución ha seguido aumentando su ritmo dando lugar a nuevos inventos como la electrónica integrada. La siguiente ilustración muestra la clasificación de semiconductores.

Conducción en semiconductores

Después de tener algo de conocimiento sobre los electrones, llegamos a saber que la capa más externa tiene la valence electronsque están débilmente unidos al núcleo. Tal átomo, que tiene electrones de valencia cuando se acerca al otro átomo, los electrones de valencia de ambos átomos se combinan para formar "Electron pairs”. Este vínculo no es tan fuerte y por lo tanto es unCovalent bond.

Por ejemplo, un átomo de germanio tiene 32 electrones. 2 electrones en la primera órbita, 8 en la segunda órbita, 18 en la tercera órbita, mientras que 4 en la última órbita. Estos 4 electrones son electrones de valencia del átomo de germanio. Estos electrones tienden a combinarse con los electrones de valencia de los átomos adyacentes, para formar los pares de electrones, como se muestra en la siguiente figura.

Creación de agujero

Debido a la energía térmica suministrada al cristal, algunos electrones tienden a moverse fuera de su lugar y romper los enlaces covalentes. Estos enlaces covalentes rotos dan como resultado electrones libres que deambulan al azar. Pero elmoved away electrons crea un espacio vacío o valencia detrás, que se llama como un hole.

Este agujero que representa un electrón faltante puede considerarse como una unidad de carga positiva mientras que el electrón se considera como una unidad de carga negativa. Los electrones liberados se mueven aleatoriamente pero cuando se aplica algún campo eléctrico externo, estos electrones se mueven en dirección opuesta al campo aplicado. Pero los agujeros creados debido a la ausencia de electrones se mueven en la dirección del campo aplicado.

Corriente del agujero

Ya se entiende que cuando se rompe un enlace covalente, se crea un agujero. En realidad, existe una fuerte tendencia del cristal semiconductor a formar un enlace covalente. Entonces, un agujero no suele existir en un cristal. Esto se puede entender mejor en la siguiente figura, que muestra una red cristalina semiconductora.

Un electrón, cuando se desplaza desde un lugar A, se forma un agujero. Debido a la tendencia a la formación de enlace covalente, un electrón de B se desplaza a A. Ahora, nuevamente para equilibrar el enlace covalente en B, un electrón se desplaza de C a B. Esto continúa construyendo un camino. Este movimiento del agujero en ausencia de un campo aplicado es aleatorio. Pero cuando se aplica un campo eléctrico, el agujero se desplaza a lo largo del campo aplicado, que constituye elhole current. Esto se denomina corriente de huecos pero no corriente de electrones porque el movimiento de los huecos contribuye al flujo de corriente.

Los electrones y los agujeros, mientras están en movimiento aleatorio, pueden encontrarse entre sí para formar pares. Esta recombinación da como resultado la liberación de calor, que rompe otro enlace covalente. Cuando aumenta la temperatura, aumenta la tasa de generación de electrones y huecos, por lo que aumenta la tasa de recombinación, lo que da como resultado un aumento de la densidad de electrones y huecos. Como resultado, la conductividad del semiconductor aumenta y la resistividad disminuye, lo que significa un coeficiente de temperatura negativo.

Semiconductores intrínsecos

Se dice que un semiconductor en su forma extremadamente pura es un intrinsic semiconductor. Las propiedades de este semiconductor puro son las siguientes:

  • Los electrones y los huecos se crean únicamente por excitación térmica.
  • El número de electrones libres es igual al número de huecos.
  • La capacidad de conducción es pequeña a temperatura ambiente.

Para aumentar la capacidad de conducción del semiconductor intrínseco, es mejor agregar algunas impurezas. Este proceso de agregar impurezas se llamaDoping. Ahora, este semiconductor intrínseco dopado se denomina semiconductor extrínseco.

Dopaje

El proceso de agregar impurezas a los materiales semiconductores se denomina dopaje. Las impurezas añadidas son generalmente impurezas pentavalentes y trivalentes.

Pentavalent Impurities

  • los pentavalentLas impurezas son las que tiene cinco electrones de valencia en la órbita más externa. Ejemplo: bismuto, antimonio, arsénico, fósforo

  • El átomo pentavalente se llama como donor atom porque dona un electrón a la banda de conducción del átomo semiconductor puro.

Trivalent Impurities

  • los trivalentLas impurezas son las que tiene tres electrones de valencia en la órbita más externa. Ejemplo: galio, indio, aluminio, boro

  • El átomo trivalente se denomina como acceptor atom porque acepta un electrón del átomo semiconductor.

Semiconductor extrínseco

Un semiconductor impuro, que se forma dopando un semiconductor puro, se denomina como extrinsic semiconductor. Hay dos tipos de semiconductores extrínsecos según el tipo de impureza añadida. Son semiconductores extrínsecos tipo N y semiconductores extrínsecos tipo P.

Semiconductor extrínseco tipo N

Se agrega una pequeña cantidad de impureza pentavalente a un semiconductor puro para dar como resultado un semiconductor extrínseco tipo N. La impureza añadida tiene 5 electrones de valencia.

Por ejemplo, si se agrega un átomo de arsénico al átomo de germanio, cuatro de los electrones de valencia se unen a los átomos de Ge mientras que un electrón permanece como electrón libre. Esto es como se muestra en la siguiente figura.

Todos estos electrones libres constituyen la corriente de electrones. Por lo tanto, la impureza cuando se agrega al semiconductor puro, proporciona electrones para la conducción.

  • En los semiconductores extrínsecos de tipo N, como la conducción se realiza a través de electrones, los electrones son portadores mayoritarios y los huecos son portadores minoritarios.

  • Como no hay adición de cargas positivas o negativas, los electrones son eléctricamente neutros.

  • Cuando se aplica un campo eléctrico a un semiconductor tipo N, al que se le agrega una impureza pentavalente, los electrones libres viajan hacia el electrodo positivo. Esto se denomina conductividad negativa o tipo N.

Semiconductor extrínseco tipo P

Se agrega una pequeña cantidad de impureza trivalente a un semiconductor puro para dar como resultado un semiconductor extrínseco de tipo P. La impureza añadida tiene 3 electrones de valencia. Por ejemplo, si se agrega un átomo de boro al átomo de germanio, tres de los electrones de valencia se unen a los átomos de Ge para formar tres enlaces covalentes. Pero, un electrón más en el germanio permanece sin formar ningún enlace. Como no queda ningún electrón en el boro para formar un enlace covalente, el espacio se trata como un agujero. Esto es como se muestra en la siguiente figura.

La impureza de boro cuando se agrega en una pequeña cantidad, proporciona una serie de agujeros que ayudan en la conducción. Todos estos agujeros constituyen la corriente del agujero.

  • En los semiconductores extrínsecos de tipo P, dado que la conducción tiene lugar a través de orificios, los orificios son portadores mayoritarios mientras que los electrones son portadores minoritarios.

  • La impureza agregada aquí proporciona agujeros que se denominan como acceptors, porque aceptan electrones de los átomos de germanio.

  • Como el número de orificios móviles permanece igual al número de aceptores, el semiconductor tipo P permanece eléctricamente neutro.

  • Cuando se aplica un campo eléctrico a un semiconductor tipo P, al que se le agrega una impureza trivalente, los huecos viajan hacia el electrodo negativo, pero con un ritmo más lento que los electrones. Esto se llama conductividad de tipo P.

  • En esta conductividad de tipo P, los electrones de valencia se mueven de un enlace covalente a otro, a diferencia del tipo N.

¿Por qué se prefiere el silicio en los semiconductores?

Entre los materiales semiconductores como el germanio y el silicio, el material ampliamente utilizado para fabricar varios componentes electrónicos es Silicon (Si). Se prefiere el silicio al germanio por muchas razones, tales como:

  • La banda prohibida de energía es de 0,7 ev, mientras que para el germanio es de 0,2 ev.

  • La generación de pares térmicos es menor.

  • La formación de la capa de SiO2 es fácil para el silicio, lo que ayuda en la fabricación de muchos componentes junto con la tecnología de integración.

  • Si se encuentra fácilmente en la naturaleza que Ge.

  • El ruido es menor en los componentes formados por Si que en Ge.

Por lo tanto, el silicio se utiliza en la fabricación de muchos componentes electrónicos, que se utilizan para hacer diferentes circuitos para diversos fines. Estos componentes tienen propiedades individuales y usos particulares.

Los principales componentes electrónicos incluyen: resistencias, resistencias variables, condensadores, condensadores variables, inductores, diodos, diodos de túnel, diodos varactores, transistores, BJT, UJT, FET, MOSFET, LDR, LED, células solares, termistor, varistor, transformador, interruptores. , relés, etc.