Comportamiento de los semiconductores tipo n y tipo p Semiconductor tipo N
Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añad añadien iendo do un ciert cierto o tipo tipo de átomos átomos al semic semicond onduc uctor tor para para poder poder aumen aumentar tar el númer número o de portado portadores res de carga carga libres libres (en (en este este caso caso negati negativo vos s o electrones). Cuando se añade el material dopante, aporta sus electrones más débilmente vincu vinculad lados os a los átomos átomos del del semic semicon onduc ducto tor. r. Este Este tipo tipo de agent agente e dopa dopant nte e es también conocido como material donante , a !ue da algunos de sus electrones. El prop" prop"si sito to del del dopa dopa#e #e tipo tipo n es el de prod produc ucir ir abun abunda danc ncia ia de elec electr tron ones es portadores en el material. $ara audar a entender c"mo se produce el dopa#e tipo dopa#e tipo n considérese el caso del silicio (Si). silicio (Si). %os átomos del silicio tienen una valencia at"mica de at"mica de cuatro, por lo !ue se &orma un enlace covalente covalente con con cada uno de los átomos de silicio adacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como como los los del grup rupo ' de la tabla bla peri"d i"dica ica (e#. &"s&oro ($), arsénico (s) arsénico (s) o antimonio (Sb), antimonio (Sb), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes un electr"n no enla*ado. Este electr"n electr"n e+tra e+tra da como como resulta resultado do la &ormaci" &ormaci"n n de electro electrones nes libres, libres, el número de electrones en el material supera ampliamente el número de -uecos, en ese ese caso caso los los elec electr tron ones es son son los los portadores mayoritarios los los -uecos son los portadores minoritarios. causa de !ue los átomos con cinco electrones de valencia valencia tienen un electr" electr"n n e+tra e+tra !ue dar, dar, son llamado llamados s átomos átomos donado donadores. res. N"tese !ue cada electr"n libre en el semiconductor nunca está le#os de un ion dopante positivo inm"vil, el material dopado tipo dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta eléctrica neta &inal de cero.
Semiconductor tipo P
Un Semic Semicond onduc uctor tor tipo tipo $ se obtie obtiene ne lleva llevand ndo o a cabo cabo un proc proces eso o de dopado, dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos). Cuan Cuando do se añad añade e el materi material al dopa dopante nte libera libera los elect electron rones es más débi débilme lmente nte vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también
conocido como material aceptor los átomos del semiconductor !ue -an perdido un electr"n son conocidos como -uecos. El prop"sito del dopa#e tipo $ es el de crear abundancia de -uecos. En el caso del silicio, un átomo tetravalente (tpicamente del grupo '/ de la tabla peri"dica) se le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo '0 de la tabla peri"dica (e#. l, 1a, 2, 3n), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes un -ueco producido !ue se encontrará en condici"n de aceptar un electr"n libre. s los dopantes crean los -uecos. No obstante, cuando cada -ueco se -a despla*ado por la red, un prot"n del átomo situado en la posici"n del -ueco se ve e+puesto en breve se ve e!uilibrado como una cierta carga positiva. Cuando un número su&iciente de aceptores son añadidos, los -uecos superan ampliamente la e+citaci"n térmica de los electrones. s, los -uecos son los portadores mayoritarios, mientras !ue los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo $. %os diamantes a*ules (tipo 33b), !ue contienen impure*as de boro (2), son un e#emplo de un semiconductor tipo $ !ue se produce de manera natural.
Comportamiento de la unión semiconductora PN
Se denomina uni"n $N a la estructura &undamental de los componentes electr"nicos comúnmente denominados semiconductores , principalmente diodos transistores. Está &ormada por la uni"n metalúrgica de dos cristales, generalmente de silicio (Si), aun!ue también se &abrican de germanio (1e), de naturale*as $ N según su composici"n a nivel at"mico. Estos tipos de cristal se obtienen al dopar cristales de metal puro intencionadamente con impure*as, normalmente con algún otro metal o compuesto !umico. Es la base del &uncionamiento de la energa solar &otovoltaica . %os cristales de Silicio están &ormados a nivel at"mico por una malla cristalina basada en enlaces covalentes !ue se producen gracias a los / electrones de valencia del átomo de Silicio. 4unto con esto e+iste otro concepto !ue cabe
mencionar5 el de -ueco. %os -uecos, como su nombre indica, son el lugar !ue de#a un electr"n cuando de#a la capa de valencia se convierte en un electr"n libre. Esto es lo !ue se conoce como pares electr"n 6 -ueco su generaci"n se debe a la temperatura (como una aplicaci"n, al caso, de las lees de la termodinámica) o a la lu* (e&ecto &otoeléctrico). En un semiconductor puro (intrnseco) se cumple !ue, a temperatura constante, el número de -uecos es igual al de electrones libres. Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de elemento, normalmente pentavalente, es decir con electrones en la capa de valencia, al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso, negativos, electrones libres). Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como impure*as donantes a !ue cede uno de sus electrones al semiconductor.
Tema #2 propiedades de los materiales semiconductores Describir las estructuras de las uniones PN a) NPN y PNP
Npn un transistor de uni"n bipolar consiste en tres regiones semiconductoras dopadas5 la regi"n del emisor, la regi"n de la base la regi"n del colector. Estas regiones son, respectivamente, tipo $, tipo N tipo $ en un $N$, tipo N, tipo $, tipo N en un transistor N$N. Cada regi"n del semiconductor está conectada a un terminal, denominado emisor (E), base (2) o colector (C), según corresponda.
%a base está &sicamente locali*ada entre el emisor el colector está compuesta de material semiconductor ligeramente dopado de alta resistividad. El colector rodea la regi"n del emisor, -aciendo casi imposible para los electrones inectados en la regi"n de la base escapar de ser colectados, lo !ue -ace !ue el valor resultante de 7 se acer!ue muc-o -acia la unidad, por eso, otorgarle al transistor una gran 8. El transistor de uni"n bipolar, a di&erencia de otros transistores, no es usualmente un dispositivo simétrico. Esto signi&ica !ue intercambiando el colector el emisor -acen !ue el transistor de#e de &uncionar en modo activo comience a &uncionar en modo inverso. 9ebido a !ue la estructura interna del transistor está usualmente optimi*ada para &uncionar en modo activo, intercambiar el colector con el emisor -acen !ue los valores de 7 8 en modo inverso sean muc-o más pe!ueños !ue los !ue se podran obtener en modo activo: muc-as veces el valor de 7 en modo inverso es menor a ;..
Pnp
El otro tipo de transistor de uni"n bipolar es el $N$ con las letras $ N re&iriéndose a las cargas maoritarias dentro de las di&erentes regiones del transistor. $ocos transistores usados -o en da son $N$, debido a !ue el N$N brinda muc-o me#or desempeño en la maora de las circunstancias. %os transistores $N$ consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado $. %os transistores $N$ son comúnmente operados con el colector a masa el emisor conectado al terminal positivo de la &uente de alimentaci"n a través de una carga eléctrica e+terna. Una pe!ueña corriente circulando desde la base permite !ue una corriente muc-o maor circule desde el emisor -acia el colector. %a &lec-a en el transistor $N$ está en el terminal del emisor apunta en la direcci"n en la !ue la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en &uncionamiento activo.
b) Unión al, si02, p: !"T, $S!"T
%os silicatos son el grupo de minerales de maor abundancia, pues constituen más del <= de la corte*a terrestre, además del grupo de más importancia
geol"gica por ser petrogénicos, es decir, los minerales !ue &orman las rocas. >odos los silicatos están compuestos por silicio o+geno. Estos elementos pueden estar acompañados de otros entre los !ue destacan aluminio, -ierro, magnesio o calcio. ?umicamente son sales del ácido silcico. %os silicatos, as como los aluminosilicatos , son la base de numerosos minerales !ue tienen al tetraedro de silicio6o+geno (un átomo de silicio coordinado tetraédricamente a átomos de o+geno) como su estructura básica5 &eldespatos, micas, arcillas. %os silicatos &orman materiales basados en la repetici"n de la unidad tetraédrica Si@//6. %a unidad Si@ //6 tiene cargas negativas !ue generalmente son compensadas por la presencia de iones de metales alcalinos o alcalinotérreos , as como de otros metales como el aluminio. %os silicatos &orman parte de la maora de las rocas, arenas arcillas. >ambién se puede obtener vidrio a partir de muc-os silicatos. %os átomos de o+geno pueden compartirse entre dos de estas unidades Si@ //6, es decir, se comparte uno de los vértices del tetraedro. $or e#emplo, el disilicato tiene como &"rmula ASiB@D6 , en general, los silicatos tiene como &"rmula A(Si@ 0)B6n. En el caso de !ue todos los átomos de o+geno estén compartidos, por tanto la carga está neutrali*ada, se tiene una red tridimensional denominada slice o di"+ido de silicio, Si@ B. En los aluminosilicatos un átomo de silicio es sustituido por uno de aluminio.
El 4E> ( Junction Field-Effect Transistor , en español transistor de efecto de campo de juntura o unión ) es un tipo de dispositivo electr"nico de tres terminales !ue puede ser usado como interruptor electr"nicamente controlado, ampli&icador o resistencia controlada por volta#e. $osee tres terminales, comúnmente llamados drena#e (9), puerta o compuerta (1) &uente (S). di&erencia del transistor de uni"n bipolar el 4E>, al ser un dispositivo controlado por un volta#e de entrada, no necesita de corriente de polari*aci"n. %a carga eléctrica &lue a través de un canal semiconductor (de tipo N o $) !ue se -alla entre el drena#e la &uente. plicando una tensi"n eléctrica inversa al terminal de puerta, el canal se estrec-a de modo !ue o&rece resistencia al paso de la corriente eléctrica. Un 4E> conduce entre los terminales 9 S cuando la tensi"n entre los terminales 1 S (F 1S) es igual a cero ( región de saturación ), pero
cuando esta tensi"n aumenta en m"dulo con la polaridad adecuada, la resistencia entre los terminales 9 S crece, entrando as en la región óhmica, -asta determinado lmite cuando de#a de conducir entra en corte. %a grá&ica de la tensi"n entre los terminales 9 S (F 9S) en el e#e -ori*ontal contra la corriente del terminal 9 (3 9 o corriente de drena#e) es una curva caracterstica propia de cada 4E>.
$S!"T
El transistor de e&ecto de campo metal6"+ido6semiconductor o G@SE> (en inglés Metal-oxide-semiconductor Field-effect transistor ) es un transistor utili*ado para ampli&icar o conmutar señales electr"nicas. Es el transistor más utili*ado en la industria microelectr"nica, a sea en circuitos anal"gicos o digitales, aun!ue el transistor de uni"n bipolar &ue muc-o más popular en otro tiempo. $rácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores G@SE>. El G@SE> es un dispositivo de cuatro terminales llamados &uente (S, Source), drenador (9, 9rain), puerta (1, 1ate) sustrato (2, 2ulH). Sin embargo, el sustrato generalmente está conectado internamente al terminal de &uente por este motivo se pueden encontrar dispositivos G@SE> de tres terminales. El término ImetalI en el nombre G@SE> es actualmente incorrecto a !ue el aluminio !ue &ue el material de la puerta -asta mediados de '
Unión PNPN: T%&%ST$&"S
es un componente electr"nico constituido por elementos semiconductores !ue utili*a realimentaci"n interna para producir una conmutaci"n. '%os materiales de los !ue se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la !ue se encuentren pueden &uncionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales por!ue solamente transmiten la corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica. El dispositivo consta de un ánodo un cátodo, donde las uniones son de tipo $6N6 $6N entre los mismos. $or tanto se puede modelar como B transistores tpicos $6 N6$ N6$6N, por eso se dice también !ue el tiristor &unciona con tensi"n realimentada. Se crean as 0 uniones (denominadas 4', 4B, 40 respectivamente), el terminal de puerta está conectado a la uni"n 4B (uni"n N$). lgunas &uentes de&inen como sin"nimos al tiristor al recti&icador controlado de silicio (SCK):B otras de&inen al SCK como un tipo de tiristor, a la par !ue los dispositivos 93C >K3C. Este elemento &ue desarrollado por ingenieros de 1eneral Electric en los años '
T"' #( "ST&UCTU&' SUP"&C$NDUCT$&"S
C&%ST'%N'
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'T"&%'"S
C$NC"PT$ D" SUP"&C$NDUCT%*%D'D
Se denomina superconductividad a la capacidad intrnseca !ue poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energa en determinadas condiciones. ue descubierto por el &sico neerlandés MeiHe Oamerling- @nnes el P de abril de '<'' en %eiden. %a resistividad eléctrica de un conductor metálico disminue gradualmente a medida !ue la temperatura se reduce. Sin embargo, en los conductores ordinarios, como el cobre la plata, las impure*as otros de&ectos producen un valor lmite. 3ncluso cerca de cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. %a resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se en&ra por deba#o de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica!ue &lue en una espiral de cable superconductor puede persistir inde&inidamente sin &uente de alimentaci"n. l igual !ue el &erromagnetismo las lneas espectrales at"micas, la superconductividad es un &en"meno de la mecánica cuántica. %a superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluendo elementos simples como el estaño el aluminio, diversas aleaciones metálicas algunos semiconductores &uertemente dopados. %a superconductividad, normalmente, no ocurre en metales nobles como el cobre la plata, ni en la maora de los metales &erromagnéticos. $ero en ciertos casos, el oro se clasi&ica como superconductor: por sus &unciones los mecanismos aplicados.
T%P$S, C'&'CT"&%ST%C'S !%S%C'S + ""CT&%C'S, C&%ST'%N' D" $S 'T"&%'"S SUP"&C$NDUCT$&"S
"ST&UCTU&'
Tipos •
Superconductores de tipo 3 5 son los !ue tienen un único campo magnético crtico H c, pasan bruscamente del estado superconductor al normal.
•
Superconductores de tipo 33 5 son a!uellos en los !ue se pueden considerar dos campos magnéticos crticos, H c1 H c , estando plenamente en el estado superconductor para un campo magnético e+terno por deba#o de H c1 en el estado normal por encima de H c , -allándose en un estado mi+to cuando el campo magnético se -alla entre ambos.
Este criterio se debe al &sico leHséi briH"sov &ue propuesto en '<J.' B 9e &orma más rigurosa se emplea el parámetro de 1in*burg6%andau , de modo !ue •
•
si (especialmente, si ) entonces la energa super&icial del superconductor es positiva se trata de un superconductor de tipo 3, si (especialmente, si ) entonces la energa super&icial del superconductor es negativa se trata de un superconductor de tipo 33
caracteristicas
Son dos las caractersticas !ue de&inen a un supercondutor, una !ue a la vimos es su resitencia cero (ig. ') o conductividad in&inita la otra !ue el campo magn!tico inducido es cero (ig. B) dentro de un superconductor cuando este es en&riado por deba#o de su temperatura crtica en un debil campo magnético e+terno (el &lu#o magnétido es e+pedido del superconductor). Este e&ecto es llamado Geissner6@c-sen&el es el !ue permite !ue los imanes leviten sobre un superconductor.
"structura
los materiales superconductores poseen propiedades magnéticas particulares: un superconductor masivo en un campo magnético débil se comporta como un diamagnético per&ecto, es decir, la inducci"n magnética en su interior es nula
dado !ue el &lu#o magnético no penetra en el interior de la muestra. Este &en"meno recibe el nombre de e&ecto Geissner.Q
E&ecto Geissner en una es&era superconductora en&riada en presencia de un campo magnético constante: al en&riarla por deba#o de la temperatura de transici"n el &lu#o magnético es e+pulsado del interior de la es&era Este &en"meno llevo a las siguientes conclusiones5 el campo magnético en el interior de un superconductor no s"lo está congelado, sino !ue vale siempre cero. Una consecuencia inmediata de lo anterior es !ue el estado de magneti*aci"n del material !ue pasa por la transici"n superconductora no depende de los pasos !ue se -aan seguido al establecer el campo magnético. Esta consecuencia marca también la di&erencia &undamental entre lo !ue es un conductor per&ecto lo !ue es un superconductor. $or conductor per&ecto se entiende !ue es un material cua resistencia eléctrica es igual a cero. En tanto !ue un superconductor, además de presentar resistencia cero, presenta también el e&ecto Geissner. Se puede demostrar &ácilmente !ue, en un conductor per&ecto, el campo magnético tiene un valor constante, esto es, está congelado en su interior, pero no necesariamente vale cero, esto trae como consecuencia !ue su estado de magneti*aci"n dependa necesariamente de los pasos, !ue se -aan seguido para magneti*arlo.
