REP BLICA BLICA BOLI BOLIVAR VARIAN IANA A DE VENEZU VENEZUELA ELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO”
EXTENSIÓN CIUDA D GUA YAN A
Prof. Luis Cumana
Bachiller:
Evis Cedeño C.I. 21.197.473
PUERTO ORDA Z, FEBRERO 2014 2014
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ÍNDIC E
Pág .
Introducción ……………………………………………………….…………
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Materiales Semiconductores ……………………………….……….
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Importancia en la Vida Diaria …………………………………..……
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Usos………………………………………………………………..…..
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Comportamiento de los Semiconductores …………………….….
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Incremento de la Conductividad en un Elemento Semiconductor
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Influencia de la Temperatura sobre lo s Semiconductores ….…..
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Conducción Eléctrica en Semiconductores…………………..……
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Nuevos Materiales ……………………………………………………
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Conclusión……………………………………………………………………
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Bibliografía …………………………………………………………………..
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INTRO DU CCIÓN
Los primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron pequeños detectores diodos empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocían como “de galena”. Ese nombre
lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra de galena o sulfuro de plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado para sintonizar las emisoras de radio. La sintonización se obtenía moviendo una aguja que tenía dispuesta sobre la superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conocía que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas. En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares. Posteriormente, en 1947 William Shockley, investigador también de los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica
moderna.
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MATERIALES SEMICONDUCTORES
Los semiconductores se definen como materiales que tienen una conectividad entre los no conductores y conductores, de acuerdo con el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. Los no conductores se clasifican generalmente como cerámica, mientras que los conductores se clasifican generalmente como metales. Los semiconductores puede ser una variedad de elementos. Por ejemplo, los semiconductores pueden ser elementos puros tales como el germanio o silicio, o pueden ser compuestos tales como seleniuro de cadmio o arseniuro de galio. Los semiconductores son materiales cuya conductancia eléctrica puede ser controlada de forma permanente o dinámica variando su estado desde conductor a aislante. Debido a su uso en dispositivos tales como los transistores (y por tanto en computadoras) y en los laseres, la búsqueda de nuevos materiales semiconductores y la mejora de los materiales existentes es un importante campo de estudio en la ciencia de materiales. Impo rtancia en la Vida Diaria
Los semiconductores son una parte importante de tu vida diaria en el año 2011, informa el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, ya que se utilizan en la creación de dispositivos electrónicos comunes. Los semiconductores son una parte de los televisores, equipos de diagnóstico médico eficiente, 4
videojuegos, computadoras y radios. Aunque algunos de estos dispositivos electrónicos que se podían conseguir con la tecnología de tubo de vacío, no serían tan fiables, compactos o rápidos. Sin la presencia de los semiconductores en dispositivos electrónicos comunes, tu vida sería más difícil. Usos
Los semiconductores se usan en una variedad de productos, nota HistoryKing.com. El silicio es la sustancia más utilizada en los semiconductores, se utiliza en diodos y transistores. Las placas de circuitos, componentes informáticos, galgas extensiométricas, detectores de radiación y sensores de fotos también utilizan semiconductores de silicio. Hay dos elementales, así como los semiconductores compuestos en el mercado. Los semiconductores
de
silicio
son
semiconductores
elementales.
Los
semiconductores compuestos se utilizan en dispositivos como pantallas LED, donde hay inclusión permite la visualización de una multitud de colores, que los semiconductores elementales no son capaces de crear. C o m p o r t a m i e n t o d e l o s S em i c o n d u c t o r e s
Estos materiales se comportan como: Aislantes a bajas temperaturas pero a temperaturas más altas se comportan como conductores. La razón de esto es que los electrones de valencia están ligeramente ligados a sus respectivos núcleos atómicos, pero no lo suficiente, pues al añadir energía elevando la temperatura son capaces de abandonar el átomo para circular por la red atómica del material. En cuanto un electrón abandona un átomo, en su lugar deja un hueco que puede ser ocupado por otro electrón que estaba circulando por la red. 5
Los materiales semiconductores más conocidos son: Silicio (Si) y Germanio (Ge), los cuales poseen cuatro electrones de valencia en su último nivel. Por otra parte, hay que decir que tales materiales forman también estructura cristalina. Hay que destacar que, para añadir energía al material semiconductor, además de calor, también se puede emplear luz
Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc. Lugar que ocupan en la Tabla Periódica los trece elementos con características de semiconductores, identificados con su correspondiente, número atómico y grupo al que pertenecen. Los que aparecen con fondo. gris corresponden a “metales”, los de fondo verde a “metaloides” y los de
fondo azul a “no metales”.
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Esos elementos semiconductores que aparecen dispuestos en la Tabla Periódica constituyen la materia prima principal, en especial el silicio (Si), para fabricar diodos detectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados y microprocesadores. Los átomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco electrones en su última órbita, de acuerdo con el elemento específico al que pertenecen. No obstante, los elementos más utilizados por la industria electrónica, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), poseen solamente cuatro electrones en su última órbita. En este caso, el equilibrio eléctrico que proporciona la estructura molecular cristalina característica de esos átomos en estado puro no les permite ceder, ni captar electrones. Normalmente los átomos de los elementos semiconductores se unen formando enlaces covalentes y no permiten que la corriente eléctrica fluya a través de sus cuerpos cuando se les aplica una diferencia de potencial o corriente eléctrica. En esas condiciones, al no presentar conductividad eléctrica alguna, se comportan de forma similar a un material aislante.
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Número N o m b r e d e l A t ó m i c o Elemento
48 5 13 31 49 14 32 15 33 51 16 34 52
Electrones Grupo en la Ca te g o r ía en l a últim a Tabla Periódic a ór b ita
Cd (Cadmio) B (Boro) Al (Aluminio) Ga (Galio) In (Indio) Si (Silicio) Ge (Germanio) P (Fósforo) As (Arsénico) Sb (Antimonio)
IIa
Metal Metaloide
IIIa
2 e3 e-
+2 +3
4 e-
+4
5 e-
+3, -3, +5
6 e-
+2, -2 +4, +6
Metal
IVa
Metaloide No metal
Va
Metaloide
S (Azufre) Se (Selenio) Te (Telurio)
Números de valencia
No metal
VIa
Metaloide
Increm ento de la Condu ctividad en un Elemento Semicon duc tor
La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente también aumenta, disminuyendo la conductividad. Todo lo contrario ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad también aumenta. La conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los siguientes métodos:
Elevación de su temperatura.
Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina.
Incrementando la iluminación. 8
Con relación a este último punto, algunos tipos de semiconductores, como las resistencias dependientes de la luz (LDR – Light-dependant resistors), varían su conductividad de acuerdo con la cantidad de luz que reciben.
Resistencia dependiente de la luz (LDR), conocida también como fotorresistor o célula fotoeléctrica. Posee la característica de disminuir el valor de su resistencia interna cuando la intensidad de luz que incide sobre la superficie de la celda aumenta. Como material o elemento semiconductor utiliza el sulfuro de cadmio (CdS) y su principal aplicación es en el encendido y apagado automático del alumbrado público en las calles de las ciudades, cuando disminuye la luz solar. En dependencia de cómo varíen los factores de los puntos más arriba expuestos,
los
materiales
semiconductores
se
comportarán
como
conductores o como aislantes. La conductividad eléctrica de los cuerpos materiales (σ) constituye la capacidad que.tienen de conducir la corriente
eléctrica. La fórmula matemática para hallar la.conductividad es la siguiente:
Como se puede apreciar en esta fórmula, la condu ctividad (σ) se obtiene hallando primeramente el resultado de la recíproca de la resistencia (o sea, 1/R) multiplicándolo a continuación por el resultado que se obtiene de dividir la longitud del material (L) entre su área (A). En esa fórmula se puede 9
observar también que la resistencia (R) es inversamente proporcional a (σ), por lo que, a menor resistencia en ohm de un cuerpo, la conductividad resultante será mayor. Influencia de la Temperatura sobre los Semicon duc tores
Al presentar el concepto de portadores mayoritarios y minoritarios se ha asumido una hipótesis de trabajo: que a temperatura ambiente (25ºC) la concentración de portadores provocada por generación térmica es mucho menor que la causada por los dopados. Pues bien, si se eleva la temperatura sobre la de ambiente se aumentará la tasa de pares electrón/hueco generados. Llegará un momento en el que, si la temperatura es lo suficientemente elevada, la cantidad de pares generados enmascare a los portadores presentes debidos a la impurificación. En ese momento se dice que el semiconductor es degenerado, y a partir de ahí no se puede distinguir si un material es de tipo N ó P: es la temperatura a la cual los dispositivos electrónicos dejan de operar correctamente. En el caso del silicio, esta temperatura es de 125 ºC. Con du cc ión Elé ctr ica en Semico nd uc tor es
Dada la especial estructura de los semiconductores, en su interior pueden darse dos tipos de corrientes:
Corrientes por arrastre de campo.
Corrientes por difusión.
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Nuevo s Materiales
Esta época está caracterizada por el descubrimiento de nuevos materiales que nos está ofreciendo posibilidades tecnológicas solo soñadas en la ciencia ficción. La nanotecnología empieza a ser posible por el desarrollo de estos materiales, pues al lograr la miniaturización solo es posible cuando se encuentran propiedades muy especiales de ciertos elementos que permiten que se pueda manipular casi al nivel del átomo.
Los nuevos materiales son productos de nuevas tecnologías fruto del desarrollo de la química y la física aplicada, de la ingeniería y de la ciencia de los materiales. Se han diseñado para responder a nuevas necesidades o a alguna aplicación tecnológica. Los avances de la física y la aparición de la electrónica combinada con los progresos de la ciencia de los materiales han dado lugar a circuitos eléctricos y electrónicos muy reducidos capaces de 11
controlar señales eléctricas de muy baja intensidad, gracias a nuevos materiales eléctricos como:
Semiconductores: Materiales como el silicio, galio o selenio, arseniuro de galio, etc., cuya resistencia al paso de la corriente depende de factores como la temperatura, la tensión mecánica o el grado de iluminación que se aplica. Con ellos se fabrican microchips para ordenadores y circuitos de puertas lógicas.
Superconductores: Materiales como el mercurio por debajo de 4 K de temperatura, nanotubos de carbono, aleaciones de niobio y titanio, cerámicas de óxidos de itrio, bario y cobre, etc., que al no oponer resistencia al paso de la corriente eléctrica, permiten el transporte de energía sin pérdidas.
Piezoeléctricos: Materiales como el cuarzo, la turmalina, cerámicas y materiales plásticos especiales, dotados de estructuras micro cristalinas, que poseen la capacidad de transformar la energía mecánica en eléctrica y viceversa. Se utilizan como sensores y actuadores en dispositivos electrónicos
como
relojes,
encendedores,
micrófonos,
radares, etc. Otros nuevos materiales son:
Siliconas: Polímeros en los que las cadenas están formadas por silicio en lugar de carbono. Son materiales muy flexibles, ligeros y moldeables. Son aislantes del calor y de la electricidad y no les afectan ni el agua, ni las grandes variaciones de temperatura. No sufren rechazo en tejidos vivos. Se usan para fabricación de revestimientos exteriores, tapar y sellar grietas, fabricación de prótesis e implantes, material quirúrgico, cirugía estética, etc.
El coltán: formado por dos minerales, la columbita y la tantalita, de los que se extraen el tántalo y el niobio, metales necesarios para la fabricación de microprocesadores, baterías de móviles, componentes electrónicos, 12
aleaciones de acero para oleoductos, centrales nucleares, etc. La fibra óptica: son fibras constituidas por un núcleo central de vidrio muy transparente, dopado con pequeñas cantidades de óxidos de germanio o de fósforo, rodeado por una fina capa de vidrio con propiedades ópticas ligeramente diferentes. Atrapan la luz que entra en ellas y la transmiten casi íntegramente.
Materiales inteligentes, activos o multifuncionales: materiales como los recubrimientos termocrómicos, capaces de responder de modo reversible y controlable a diferentes estímulos físicos o químicos externos, cambian de color según la temperatura, en caso de incendio, movimientos, esfuerzos, etc. Se utilizan como sensores, actuadores, etc. en domótica y sistemas inteligentes de seguridad.
Materiales con memoria de forma: materiales como las aleaciones metálicas de níquel y titanio, variedades de poliuretano y poliestireno capaces de «recordar» la disposición de su estructura espacial y volver a ella después de una deformación. Se utilizan en sistemas de unión y separación de alambres dentales para ortodoncia, películas protectoras adaptables y válvulas de control de temperatura.
Materiales híbridos: materiales formados por una fibra y una matriz, como fibras de vidrio y de carbono con una matriz de poliéster o matriz metálica o de cerámica. Son materiales ligeros y de gran resistencia mecánica y altas temperaturas, utilizados en la industria aeronáutica y de embarcaciones, en motores y reactores de aviación.
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CON CL USIÓN
La mayor parte de los dispositivos electrónicos modernos están fabricados a partir de semiconductores. Para comprender el funcionamiento de estos dispositivos cuando se insertan en un circuito eléctrico, es necesario conocer el comportamiento de los componentes desde un punto de vista físico. Por ello, en este tema se presentan las propiedades y características fundamentales de este tipo de materiales. Si los conductores son materiales que disponen de electrones libres y los aislantes carecen de ellos, los semiconductores se encuentran en una situación intermedia: a la temperatura de 0 K se comportan como aislantes, pero mediante una aportación de energía puede modificarse esta situación, adquiriendo un comportamiento más cercano al de los conductores. Los materiales semiconductores de uso común en la tecnología microelectrónica son el silicio, el germanio y el arseniuro de galio. Se trata de elementos del grupo IV de la tabla periódica, o bien combinaciones de elementos de los grupos III y V. De todos ellos, el más empleado actualmente es el silicio, por lo que la discusión en este tema va a estar centrada en dicho elemento. Los nuevos materiales son productos de nuevas tecnologías fruto del desarrollo de la química y la física aplicada, de la ingeniería y de la ciencia de los materiales. Se han diseñado para responder a nuevas necesidades o a alguna aplicación tecnológica. El rápido progreso de la electrónica durante la segunda mitad del siglo XX se explica por el refuerzo mutuo entre la investigación de materiales y su aplicación industrial práctica en áreas tan distintas
como
la
ingeniería,
la
telecomunicaciones o la informática. 14
medicina,
la
construcción,
las
B IB L IOGR A FÍA
http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_1.ht http://www.arqhys.com/construccion/polaridad-electricidad.html http://www.cienciasmc.es/web/u8/contenido4.1b_u8.html
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