INTRODUCCION A LOS SEMICONDUCTORES_4

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EL

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EL

DIODO

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DIODO Si se toma un bloque de silicio y se dopa una parte de él con una impureza trivalente y la otra con una impureza pentavalente, se forma un límite llamado unión pn entre las partes tipo p y tipo n resultantes y se crea un diodo básico. Un diodo es un dispositivo que conduce corriente en sólo una dirección. La unión pn es la característica que permite funcionar a diodos, ciertos transistores y otros dispositivos.

Un material tipo p consta de átomos de silicio y átomos de impureza trivalentes tales como el boro. El átomo de boro agrega un hueco cuando se enlaza con los átomos de silicio. Sin embargo, como el número de protones y el número de electrones son iguales en todo el material, no existe carga neta en el material y por lo tanto es neutro. Un material de silicio tipo n se compone de átomos de silicio y átomos de impureza pentavalentes tales como el antimonio. Como ya se vio, un átomo de impureza libera un electrón cuando se enlaza a cuatro átomos de silicio. Como sigue habiendo un número igual de protones y electrones (incluidos los electrones libres) por todo el material, no existe carga neta en el material y por lo tanto es neutro. Si un trozo de silicio intrínseco es dopado de tal forma que una parte es tipo n y la otra tipo p, se forma una unión pn en el límite entre las dos regiones y se crea un diodo, como se indica en la figura 1-17(a). La región p tiene muchos huecos (portadores mayoritarios) por lo átomos de impureza y sólo unos cuantos electrones libres térmicamente generados (portadores minoritarios). La región n tiene muchos electrones libres (portadores mayoritarios) por los átomos de impureza y sólo unos cuantos huecos térmicamente generados (portadores minoritarios).

Formación de la región de empobrecimiento Los electrones libres en la región n se mueven aleatoriamente en todas direcciones. En el instante en que se forma la unión pn, los electrones libres que se encuentran cerca de la unión en la región n comienzan a difundirse a través de la unión hacia la región p, donde se combinan con los huecos que se encuentran cerca de la unión, como se muestra en la figura 1-17(b). Antes de analizar la formación de la unión pn, recuerde que existen tantos electrones como protones en el material tipo n, por lo que el material es neutro en función de la carga neta; lo mismo se aplica al caso del material tipo p. Cuando se forma la unión pn, la región n pierde electrones libres a medida que se difunden a través de la unión. Esto crea una capa de cargas positivas (iones pentavalentes) cerca de la unión. A medida que los electrones se mueven a través de ésta, la región p pierde huecos a medida que los electrones y huecos se combinan. Esto crea una capa de cargas negativas (iones trivalentes) cerca de la unión. Estas dos capas de cargas positivas y negativas forman la región de empobrecimiento, como la figura 1-17(b) lo muestra. El término empobrecimiento se refiere al hecho de que la región cercana a la unión pn se queda sin portadores de carga (electrones y huecos) debido a la difusión a través de la unión. Tenga en cuenta que la región de empobrecimiento se forma muy rapido y que es muy delgada en comparacon con la region n y la region p.

NOTA HISTÓRICA Después de la invención del foco incandescente, Edison continúo experimentando y en 1883 encontró que podía detectar los electrones que fluían a través del vacío del filamento incandescente a la placa metálica montada en el interior del foco. Este descubrimiento llegó a ser conocido como el efecto Edison. Un físico inglés, John Fleming, partió de donde Edison se quedó y encontró que el efecto Edison también podía ser utilizado para detectar ondas de radio y convertirlas en señales eléctricas. Continuó desarrollando un tubo de vacío de dos elementos llamado válvula Fleming, más adelante conocida como diodo.

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I NTRODUCCIÓN

A LOS SEMICONDUCTORES

FIGURA 1–17

Formación de la región de empobrecimiento. El ancho de ésta se muestra es exagerada para propósitos de ilustración. unión pn región p

región n

(a) La estructura de diodo básica en el instante de la formación de la unión que muestra sólo los portadores mayoritarios y minoritarios. Algunos electrones libres en la región n cerca de la unión pn comienzan a difundirse a través de la unión y caen en huecos cerca de la unión en la región p.

Región de empobrecimiento región p

región n –

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

Potencial de barrera (b) Por cada electrón que se difunde a través de la unión y se combina con un hueco, queda una carga positiva en la región n, se crea una negativa en la región p, y se forma un potencial de barrera. Esta acción continúa hasta que el voltaje de la barrera se opone a más difusión. Las flechas entre las cargas positivas y negativas en la región de empobrecimiento representan el campo eléctrico.

Después del aumento súbito inicial de electrones libres a través de la unión pn, la región de empobrecimiento se expande hasta un punto donde se establece el equilibrio y no hay más difusión de electrones a través de la unión. Esto ocurre de la siguiente manera: conforme los electrones continúan difundiéndose a través de la unión, más y más cargas positivas y negativas se crean cerca de la unión a medida que se forma la región de empobrecimiento. Se llega a un punto donde la carga negativa total en la región de empobrecimiento repele cualquier difusión adicional de electrones (partículas cargadas negativamente) hacia la región p (las cargas iguales se repelen) y la difusión se detiene. En otras palabras, la región de empobrecimiento actúa como barrera ante el movimiento continuado de electrones a través de la unión. Potencial de barrera En cualquier momento que exista una carga positiva y una carga negativa, una cerca de la otra, existe una fuerza que actúa en la carga como lo describe la ley de Coulomb. En la región de empobrecimiento existen muchas cargas positivas y muchas cargas negativas en los lados opuestos de la unión pn. Las fuerzas entre las cargas opuestas forman un campo eléctrico, como se indica en la figura 1-17(b) mediante flechas entre las cargas positivas y las cargas negativas. Este campo eléctrico es una barrera para los electrones libres en la región n y se debe consumir energía para mover un electrón a través del campo eléctrico; es decir, se debe aplicar energía externa para hacer que los electrones se muevan a través de la barrera del campo eléctrico en la región de empobrecimiento. La diferencia de potencial del campo eléctrico a través de la región de empobrecimiento es la cantidad de voltaje requerido para mover electrones a través del campo eléctrico. Esta diferencia de potencial se llama potencial de barrera y se expresa en volts. Expresado de otra manera, se debe aplicar una cierta cantidad de voltaje igual al potencial de barrera y con la polaridad apropiada a través de una unión pn para que los electrones comiencen a fluir a través de la unión. Aprenderá más al respecto cuando se analice la polarización en la sección 1-6. El potencial de barrera de una unión pn depende de varios factores, incluido el tipo de mate- rial semiconductor, la cantidad de dopado y la temperatura. El potencial de barrera típico es aproximadamente de 0.7 V para el silicio y de 0.3 V para el germanio a 25°C.

P OL A RIZA CIÓN

NOTA HISTÓRICA Russell Ohl, que trabajaba en los laboratorios Bell en 1940, se tropezó con la unión pn de semiconductor. Ohl estaba trabajando con una muestra de silicio que tenía una grieta accidental a lo largo de su parte media cuando observó que cuando la muestra se exponía a la luz, la corriente que fluía entre los dos lados de la grieta experimentada un salto significativo. Este descubrimiento fue fundamental para el trabajo del equipo que inventó el transistor en 1947.

DE UN DIODO

Las bandas de valencia y conducción de un material tipo n se encuentran a niveles de energía un poco más bajos que las bandas de valencia y conducción en un material tipo p. Recuerde que el material tipo p tiene impurezas trivalentes en tanto que el tipo n tiene impurezas pentavalentes. Las impurezas trivalentes ejercen fuerzas más bajas sobre los electrones de la capa externa que las impurezas pentavalentes. Las fuerzas más bajas en materiales tipo p hacen que las órbitas de los electrones sean un poco más grandes y que consecuentemente tengan una energía más grande que las órbitas de los electrones en los materiales tipo n. La figura 1-18(a) muestra un diagrama de energía de una unión pn en el instante de su formación. Como se puede ver, las bandas de valencia y conducción de la región n están a niveles de energía más bajos que aquellas de la región p, pero existe una cantidad significativa de traslape. Los electrones libres en la región n que ocupan la parte superior de la banda de conducción en función de su energía pueden difundirse con facilidad a través de la unión (no tienen que adquirir energía adicional) y temporalmente se convierten en electrones libres en la parte inferior de la banda de conducción de la región p. Después de atravesar la unión, los electrones pierden energía con rapidez y caen en los huecos de la banda de conducción de la región p, como muestra la figura 1-18(a). A medida que continúa la difusión, la región de empobrecimiento comienza a formarse y el nivel de energía de la banda de conducción de la región n se reduce. La reducción del nivel de energía de la banda de conducción en la región n se debe a la pérdida de electrones de alta energía que se han difundido a través de la unión hacia la región p. Pronto no quedan electrones en la banda de conducción de la región n con suficiente energía para atravesar la unión hacia la banda de conducción de la región p, como se indica por medio de la alineación de la parte superior de la banda de conducción de la región n y la parte inferior de la banda de conducción de la región p en la figura 1-18(b). En ese punto, la unión está en equilibrio y la región de empobrecimiento está completa porque la difusión ha cesado. Existe un gradiente de energía, a través de la región de empobrecimiento, que actúa como una “colina de energía” que un electrón en la región n debe escalar para llegar a la región p.

Energía Portadores minoritarios

Portadores mayoritarios

Banda de conducción

Banda de conducción

Banda de valencia

Banda de valencia Portadores mayoritarios

región p

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Diagramas de energía de la unión PN y la región de empobrecimiento

Energía

0

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Portadores minoritarios unión pn región n

(a) En el instante de la formación de la unión

0

región p

(b) En equilibrio

FIGURA 1–18

Diagrama de energía que ilustra la formación de la unión pn y la región de empobrecimiento.

Observe que en tanto el nivel de energía de la banda de conducción de la región n se ha desplazado hacia abajo, el nivel de energía de la banda de valencia también se ha desplazado hacia abajo. Aún se requiere la misma cantidad de energía para que un electrón de valencia se convierta en un electrón libre. En otras palabras, la banda prohibida entre la banda de valencia y la banda de conducción no cambia.

unión pn y región de empobrecimiento

región n

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I NTRODUCCIÓN

A LOS SEMICONDUCTORES

En Resumen: 

Se forma una unión pn cuando una parte del material se dopa con impurezas tipo n y otra parte de él se dopa con impurezas tipo p.



Se forma una región de empobrecimiento a partir de la unión que se queda sin portadores mayoritarios.



La región de empobrecimiento se forma por ionización.



El potencial de barrera es por lo general de 0.7 V para un diodo de silicio y de 0.3 V para germanio.

Terminos Clave: 

Aislante Material que normalmente no conduce corriente.



Ánodo Región p de un diodo.



Átomo La partícula más pequeña de un elemento que posee las características únicas de dicho elemento.



Capa Banda de energía donde los electrones giran alrededor del núcleo de un átomo.



Característica V-I Curva que muestra la relación del voltaje y corriente en un diodo.



Cátodo Región n de un diodo.



Conductor Material que fácilmente conduce corriente eléctrica.



Cristal Material sólido en el cual los átomos están acomodados simétricamente.



Diodo Dispositivo semiconductor con una sola unión pn que conduce corriente en sólo una dirección.



Dopado El proceso de agregar impurezas a un material semiconductor intrínseco para controlar sus características de conducción.

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Electrón Partícula básica de carga eléctrica negativa.

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Electrón libre Electrón que ha adquirido suficiente energía para escaparse de la banda de valencia del átomo padre; también se conoce como electrón de conducción.



Hueco La ausencia de un electrón en la banda de valencia de un átomo.



Ionización Eliminación o adición de un electrón de o a un átomo neutro, de modo que el átomo resultante (llamado ion) tenga una carga positiva o negativa neta.



Polarización La aplicación de un voltaje de cc a un diodo para hacerlo que conduzca o bloquee la corriente.



Polarización en directa La condición en la cual un diodo conduce corriente.

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Polarización en inversa La condición en la cual un diodo impide que circule corriente.



Potencial de barrera Cantidad de energía requerida para producir conducción completa a través de la unión pn con polarización en directa.



Protón Partícula básica de carga positiva. Semiconductor Material situado entre los conductores y los aislantes en sus propiedades conductoras respecta. El silicio, germanio y carbón son ejemplos. Silicio Material semiconductor.



Unión PN Límite entre dos tipos diferentes de materiales semiconductores. Valencia Relacionada con la capa externa de un átomo.