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Marie Curie(1867-1934).
Científica francesa nacida en Polonia. Premio Nobel de Física en 1903 y de Química en 1911
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 SEMICONDUCTORES

Antes de ver el funcionamiento de Diodos, Transistores y circuitos integrados, estudiaremos los materiales Semiconductores. Estos, que no son ni conductores ni aislantes, tienen electrones libres, pero lo que les caracteriza especialmente son los huecos.

En este tema, veremos los conceptos y propiedades más importantes de los Semiconductores.

Los objetivos de este tema son:

  • Conocer las características de los semiconductores y conductores a nivel atómico.
  • Ser capaz de describir la estructura de un cristal de Silicio.
  • Saber cuales son y como se comportan los dos tipos de portadores y sus impurezas.
  • Ser capaz de explicar las condiciones que se dan en la unión pn sin polarizar, polarizada en directa y polarizada en inversa.
  • Conocer los dos tipos de corrientes de ruptura provocados por la aplicación sobre un diodo de gran voltaje en inversa.

Conductores

Un conductor es un material que, en mayor o menor medida, conduce el calor y la electricidad. Son buenos conductores los metales y malos, el vidrio, la madera, la lana y el aire.

NOTA: Definimos la unidad de carga +1 como +1,6·10-19 culombios. Así un electrón tiene una carga -1 equivalente a -1,6·10-19 culombios.

El conductor más utilizado y el que ahora analizaremos es el Cobre (valencia 1), que es un buen conductor. Su estructura atómica la vemos en la siguiente figura.

Su número atómico es 29. Esto significa que en el núcleo hay 29 protones (cargas positivas) y girando alrededor de él hay 29 electrones girando en diferentes órbitas.

En cada órbita caben 2n2 siendo n un número entero n = 1, 2, 3, ... Así en la primera órbita (n = 1) caben 212 = 2 electrones. En la segunda órbita 2·22 = 8 electrones. En la tercera órbita 2·32 = 18 electrones. Y la cuarta órbita solo tiene 1 electrón aunque en ella caben 2·42 = 32 electrones.

Lo que  interesa en electrónica es la órbita exterior, que es la que determina las propiedades del átomo. Como hay + 29 y - 28, queda con + 1.

Por ello vamos a agrupar el núcleo y las órbitas internas, y le llamaremos parte interna. En el átomo de cobre la parte interna es el núcleo (+ 29) y las tres primeras órbitas (- 28), con lo que nos queda la parte interna con una carga neta de +1.

Como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte interna, una fuerza externa puede liberarlo fácilmente, por eso es un buen Conductor. Nos referiremos a ese electrón de valencia, como electrón libre.

Lo que define a un buen conductor es el hecho de tener un solo electrón en la órbita de valencia (valencia 1).

Así, tenemos que:

  • A 0 ºK (-273 ºC) un metal no conduce.
  • A Temperatura ambiente 300 ºK ya hay electrones libres debidos a la energía térmica.

- Si tenemos un campo eléctrico aplicado los electrones libres se mueven en todas direcciones. Como el movimiento es al azar, es posible que muchos electrones pasen por unidad de área en una determinada dirección y a la vez en la dirección opuesta. Por lo tanto la corriente media es cero.

- Veamos ahora como cambia la situación, si se aplica al metal un campo eléctrico.

Los electrones libres se mueven ahora en una dirección concreta. Y por lo tanto ya hay carga (en culombios) que cruza la sección del metal en un segundo, o sea ya existe una corriente.

Como ya conocemos, el electrón tiene una carga negativa (-1,619-19 culombios) y por tanto el convenio tomado para definir la corriente (contrario al movimiento de las cargas negativas) nos indica que la corriente toma el sentido indicado en la figura.

El electrón se mueve dentro de la red cristalina del metal con una velocidad media.

La resistencia que opone la barra de metal al paso de la corriente la podemos calcular de la siguiente forma:

Semiconductores

Son elementos, como el germanio y el silicio, que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medida que se eleva la temperatura o bien por la adicción de determinadas impurezas resulta posible su conducción. Su importancia en electrónica es inmensa en la fabricación de transistores, circuitos integrados, etc...

Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en órbita exterior ó de valencia. Los conductores tienen 1 electrón de valencia, los semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones de valencia.

Los 2 semiconductores que veremos serán el Silicio y el Germanio:

Como vemos los semiconductores se caracterizan por tener una parte interna con carga + 4 y 4 electrones de valencia.

Cristales de silicio

Simulación

Al combinarse los átomos de Silicio para formar un sólido, lo hacen formando una estructura ordenada llamada cristal. Esto se debe a los "Enlaces Covalentes", que son las uniones entre átomos que se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se crea un equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los átomos de Silicio.

Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente forma:

Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en la órbita de valencia, como se ve en la figura.

La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan ( aunque sean compartidos ) con cada átomo, gracias a esta característica los enlaces covalentes son de una gran solidez.

Los 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados por estar fuertemente unidos en los átomos.

El aumento de la temperatura hace que los átomos en un cristal de silicio vibren dentro de él, a mayor temperatura mayor será la vibración. Con lo que un electrón se puede liberar de su órbita, lo que deja un hueco, que a su vez atraerá otro electrón, etc...

A 0 ºK, todos los electrones son ligados. A 300 ºK o más, aparecen electrones libres.

Esta unión de un electrón libre y un hueco se llama "recombinación", y el tiempo entre la creación y desaparición de un electrón libre se denomina "tiempo de vida".

Enlace covalente roto: Es cuando tenemos un hueco, esto es una generación de pares electrón libre-hueco.

Según un convenio ampliamente aceptado tomaremos la dirección de la corriente como contraria a la dirección de los electrones libres.

Simulación

En este applet podemos ver mediante una animación el comportamiento de los electrones en un cristal de silicio.

 Los electrones libres (electrones) se mueven hacia la izquierda ocupando el lugar del hueco. Carga del electrón libre = -1.6x10-19Culombios.

Los electrones ligados (huecos) se mueven hacia la derecha. Carga de electrón ligado = +1.6x10-19Culombios.

Semiconductores: Conducen los electrones (electrones libres) y los huecos (electrones ligados).

Conductores: Conducen los electrones libres.

Resumiendo: Dentro de un cristal en todo momento ocurre esto:

  • Por la energía térmica se están creando electrones libres y huecos.
  • Se recombinan otros electrones libres y huecos.
  • Quedan algunos electrones libres y huecos en un estado intermedio, en el que han sido creados y todavía no se han recombinado.

Semiconductores intrínsecos

Simulación

Es un semiconductor puro. A temperatura ambiente se comporta como un aislante porque solo tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la energía térmica.

En un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente total resultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares, por lo tanto hay tantos electrones libres como huecos con lo que la corriente total es cero.

La tensión aplicada en la figura forzará a los electrones libres a circular hacia la derecha (del terminal negativo de la pila al positivo) y a los huecos hacia la izquierda.

Simulación

En este applet podemos ver mediante una animación en que dirección se mueven los electrones y los huecos en un semiconductor intrínseco.

Cuando los electrones libres llegan la extremo derecho del cristal, entran al conductor externo (normalmente un hilo de cobre) y circulan hacia el terminal positivo de la batería. Por otro lado, los electrones libres en el terminal negativo de la batería fluirían hacia el extremos izquierdo del cristal. Así entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo izquierdo del cristal. Se produce un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor.

Dopado de un semiconductor

Caso 1

Caso 2

Para aumentar la conductividad (que sea más conductor) de un SC (Semiconductor), se le suele dopar o añadir átomos de impurezas a un SC intrínseco, un SC dopado es un SC extrínseco.

Caso 1

Impurezas de valencia 5 (Arsénico, Antimonio, Fósforo). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 5.

Los átomo de valencia 5 tienen un electrón de más, así con una temperatura no muy elevada (a temperatura ambiente por ejemplo), el 5º electrón se hace electrón libre. Esto es, como solo se pueden tener 8 electrones en la órbita de valencia, el átomo pentavalente suelta un electrón que será libre.

Siguen dándose las reacciones anteriores. Si metemos 1000 átomos de impurezas tendremos 1000 electrones más los que se hagan libres por generación térmica (muy pocos).

A estas impurezas se les llama "Impurezas Donadoras". El número de electrones libres se llama n (electrones libres/m3).

Caso 2

Impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro, Galio). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 3.

Los átomo de valencia 3 tienen un electrón de menos, entonces como nos falta un electrón tenemos un hueco. Esto es,  ese átomo trivalente tiene 7 electrones en la orbita de valencia. Al átomo de valencia 3 se le llama "átomo trivalente" o "Aceptor".

A estas impurezas se les llama "Impurezas Aceptoras". Hay tantos huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de generación térmica (muy pocos). El número de huecos se llama p (huecos/m3).

Semiconductores extrínsecos

Semiconductor tipo n

Semiconductor tipo p

Son los semiconductores que están dopados, esto es que tienen impurezas. Hay 2 tipos dependiendo de que tipo de impurezas tengan:

Semiconductor tipo n

Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".

Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco.

Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batería.

Semiconductor tipo p

Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.

Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo.

En el circuito hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito.

El diodo no polarizado

Zona de deplexión

Barrera de potencial

Los semiconductores tipo p y tipo n separados no tienen mucha utilidad, pero si un cristal se dopa de tal forma que una mitad sea tipo n y la otra mitad de tipo p, esa unión pn tiene unas propiedades muy útiles y entre otras cosas forman los "Diodos".

El átomo pentavalente en un cristal de silicio (Si) produce un electrón libre y se puede representar como un signo "+" encerrado en un circulo y con un punto relleno (que sería el electrón) al lado.

El átomo trivalente sería un signo "-" encerrado en un circulo y con un punto sin rellenar al lado (que simbolizaría un hueco).

Entonces la representación de un SC tipo n sería:

Y la de un SC tipo p:

La unión de las regiones p y n será:

Al juntar las regiones tipo p y tipo n se crea un "Diodo de unión" o "Unión pn".

Zona de deplexión

Al haber una repulsión mutua, los electrones libres en el lado n se dispersan en cualquier dirección. Algunos electrones libres se difunden y atraviesan la unión, cuando un electrón libre entra en la región p se convierte en un portador minoritario y el electrón cae en un hueco, el hueco desaparece y el electrón libre se convierte en electrón de valencia. Cuando un electrón se difunde a través de la unión crea un par de iones, en el lado n con carga positiva y en el p con carga negativa.

Las parejas de iones positivo y negativo se llaman dipolos, al aumentar los dipolos la región cerca de la unión se vacía de portadores y se crea la llamada "Zona de deplexión".

Barrera de potencial

Los dipolos tienen un campo eléctrico entre los iones positivo y negativo, y al entrar los electrones libres en la zona de deplexión, el campo eléctrico trata de devolverlos a la zona n. La intensidad del campo eléctrico aumenta con cada electrón que cruza hasta llegar al equilibrio.

El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada "Barrera de Potencial" que a 25 ºC vale:

  • 0.3 V para diodos de Ge.
  • 0.7 V para diodos de Si.

Polarizar: Poner una pila. No polarizado: No tiene pila, circuito abierto o en vacío. z.c.e.: Zona de Carga Espacial o zona de deplexión (W).

Polarización directa

Si el terminal positivo de la fuente está conectado al material tipo p y el terminal negativo de la fuente está conectado al material tipo n, diremos que estamos en "Polarización Directa".

La conexión en polarización directa tendría esta forma:

En este caso tenemos una corriente que circula con facilidad, debido a que la fuente obliga a que los electrones libres y huecos fluyan hacia la unión. Al moverse los electrones libres hacia la unión, se crean iones positivos en el extremo derecho de la unión que atraerán a los electrones hacia el cristal desde el circuito externo.

Así los electrones libres pueden abandonar el terminal negativo de la fuente y fluir hacia el extremo derecho del cristal. El sentido de la corriente lo tomaremos siempre contrario al del electrón.

Lo que le sucede al electrón: Tras abandonar el terminal negativo de la fuente entra por el extremo derecho del cristal. Se desplaza a través de la zona n como electrón libre.

En la unión se recombina con un hueco y se convierte en electrón de valencia. Se desplaza a través de la zona p como electrón de valencia. Tras abandonar el extremo izquierdo del cristal fluye al terminal positivo de la fuente.

Polarización inversa

Se invierte la polaridad de la fuente de continua, el diodo se polariza en inversa, el terminal negativo de la batería conectado al lado p y el positivo al  n, esta conexión se denomina "Polarización Inversa".

En la siguiente figura se muestra una conexión en inversa:

El terminal negativo de la batería atrae a los huecos y el terminal positivo atrae a los electrones libres, así los huecos y los electrones libres se alejan de la unión y la z.c.e. se ensancha.

A mayor anchura de la z.c.e. mayor diferencia de potencial, la zona de deplexión deja de aumentar cuando su diferencia de potencial es igual a la tensión inversa aplicada (V), entonces los electrones y huecos dejan de alejarse de la unión.

A mayor la tensión inversa aplicada mayor será la z.c.e.

Existe una pequeña corriente en polarización inversa, porque la energía térmica crea continuamente pares electrón-hueco, lo que hace que halla pequeñas concentraciones de portadores minoritarios a ambos lados, la mayor parte se recombina con los mayoritarios pero los que están en la z.c.e. pueden vivir lo suficiente para cruzar la unión y tenemos así una pequeña corriente.

La zona de deplexión empuja a los electrones hacia la derecha y el hueco a la izquierda, se crea así una la "Corriente Inversa de Saturación"(IS) que depende de la temperatura.

Además hay otra corriente "Corriente Superficial de Fugas" causada por las impurezas del cristal y las imperfecciones en su estructura interna. Esta corriente depende de la tensión de la pila (V ó VP).

Entonces la corriente en inversa (I ó IR) será la suma de esas dos corrientes:

Ruptura

Efecto Avalancha

Efecto Zener

Los diodos admiten unos valores máximos en las tensiones que se les aplican, existe un límite para la tensión máxima en inversa con que se puede polarizar un diodo sin correr el riesgo de destruirlo.

Veamos un ejemplo:

A la tensión en la que la IR aumenta de repente, se le llama "Tensión de Ruptura" (VRuptura). A partir de este valor IR es muy grande y el diodo se estropea. En el diodo ha ocurrido el "Efecto Avalancha" o "Ruptura por Avalancha".

Efecto Avalancha = Ruptura por Avalancha  = Multiplicación por Avalancha

Efecto Avalancha

Aumenta la tensión inversa y con ella la z.c.e..

Ocurre lo siguiente dentro del diodo:

Justo en el límite antes de llegar a Ruptura, la pila va acelerando a los electrones. Y estos electrones pueden chocar con la red cristalina, con los enlaces covalentes. Choca el electrón y rebota, pero a VRuptura la velocidad es muy grande y por ello la Ec es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. El electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. O sea, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres.

Estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha.

Y ahora IR ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande (-100 mA). Con esta intensidad el diodo se estropea porque no está preparado para trabajar a esa IR.

Efecto Zener

Este es otro efecto que puede estropear el diodo, y es muy parecido al anterior. Se suele dar en diodos muy impurificados, diodos con muchas impurezas.

Al tener la z.c.e. muy pequeña y seguimos teniendo la misma tensión (0.7 V), tenemos muy juntos los átomos de impurezas teniendo así más carga en menos espacio.

En esta situación se crea un campo eléctrico muy intenso. Y el efecto es como la carga de un condensador.

Si se polariza en inversa se ensancha la z.c.e.

¿Qué ocurre en la z.c.e.?

A aumentado mucho E (Campo Eléctrico), por ejemplo para los 3 V llega a 300.000 V/cm y se da el "Efecto Zener": Ahora la F, fuerza debida al campo eléctrico, es capaz de arrancar el electrón y lo hace libre. Este campo eléctrico intenso arranca muchos electrones de esta forma dando lugar a una corriente grande que destruye el Diodo.

Veamos en que diodos se dan estos  2 efectos:

  • Efecto Avalancha (Ruptura por avalancha)
    • Diodo Rectificador     VR = - 50 V (tensiones grandes).

    • Diodo de Avalancha   VR = - 6 V, - 7 V, - 8 V... A veces le llama Diodo Zener aunque no sea un Zener en si.

  • Efecto Zener (Ruptura Zener)
    • Diodo Zener     VR = - 4 V, - 3 V, - 2 V... A veces puede ocurrir este efecto en otro tipo de diodos que no sean Zener, pero tienen que estar muy impurificados. Los Diodos Zener están especialmente preparados para no estropearse.

Entre - 4 V y - 6 V se pueden dar los 2 fenómenos a la vez (Avalancha y Zener).

Niveles y bandas de energía

Bandas de Energía en un Semiconductor Intrínseco

Bandas de Energía en un Semiconductor tipo n

Bandas de Energía en un Semiconductor tipo p

Las ideas y los conceptos vistos anteriormente los analizaremos ahora desde un punto de vista energético.

Hablar de Radios y de Energías es lo mismo. Cuanto mayor sea el radio mayor será también la energía.

 Existen diversas maneras de darle energía a un electrón, por:

  • Energía Térmica.
  • Energía Luminosa (fotón E = h x f).
  • Campo Eléctrico.
  • etc...

Si se le da energía a un electrón para que pase de E1 a E2, este electrón puede pasar de una orbita a otra.

Ese electrón vuelve enseguida, al volver tiene que ceder o soltar la energía. Puede hacerlo de 2 formas:

  • Al volver sale un fotón de luz:

E2 - E1 = h x f

        Una aplicación de esta característica se ve en los Diodos Led, que dependiendo de las energías tendrán diferentes colores, y también pueden soltar fotones invisibles a frecuencias en las que la vista no puede captarlas.

  • También se suelta energía en forma de calor, energía térmica (calentamiento del diodo).

 Las energías las representaremos gráficamente de esta manera:

Hasta ahora hemos visto un átomo aislado, pero en un cristal tenemos que aplicar el "Principio de Exclusión de Pauli":

"En un sistema electrónico no puede haber 2 electrones con los mismos números cuánticos".

Esto es, que no puede haber 2 electrones con la misma energía.

Bandas de Energía en un Semiconductor Intrínseco

Anteriormente hemos visto que los semiconductores intrínsecos eran aquellos que no tenían impurezas, esto es, todos son átomos de Si.

Al aplicar el principio de exclusión de Pauli el electrón de energía E1 de un átomo y el electrón de energía E1 del átomo vecino se han de separar en energía. Como hay una gran cantidad de átomos aparecen muchos niveles energéticos con una separación muy pequeña, formando la 1ª Banda de Energía.

Los electrones de energía E2 se separan en energía formando la 2ª Banda de Energía.

Y así sucesivamente con el resto de energías se van creando Bandas de Energía (grupos de niveles energéticos). El resultado es el siguiente:

Como es difícil sacar un electrón de las bandas inferiores, no nos interesan las 2 bandas inferiores, no las tendremos en cuenta, así tendríamos:

Estas 2 bandas son las creadas por los 4 electrones de la última órbita del átomo.

A 0 ºK los 4 electrones de cada átomo están en la Banda de Valencia (cada uno en un radio o energía permitido).

BC = Banda de Conducción BV = Banda de Valencia

A 300 ºK (27 ºC, temperatura ambiente) o a mayor temperatura, algún electrón puede conseguir suficiente energía como para pasar a la Banda de Conducción, dejando así un hueco en la Banda de Valencia.

Recordar que a esto le llamábamos Generación Térmica de Pares electrón libre-hueco. Cuanto más aumente la temperatura, más electrones suben debido a la generación térmica.

Por eso un semiconductor a 0 ºK no conduce y si aumenta la temperatura conduce más. Ahora veremos que es lo que ocurre con los semiconductores con impurezas.

Bandas de Energía en un Semiconductor tipo n

Tenemos muy pocos átomos de impurezas (+5) en comparación con los átomos normales de Silicio (+4).

Como se impurifica muy poco, los átomos de +5 están muy alejados y no se influyen entre si, pudiendo tener electrones de átomos diferentes la misma energía y por lo tanto están todos al mismo nivel. Esa energía que tienen se llama "Energía del átomo Donador" (ED).

En cuanto se le de una pequeña energía los electrones suben a la BC y se convierten en libres.

También se da la generación térmica (generación de pares hueco-electrón), pero lo que más ocurre es debido a las impurezas y muy poco por generación térmica, por lo que despreciaremos esta última.

Bandas de Energía en un Semiconductor tipo p

En este caso las impurezas son átomos de +3, y como en el caso anterior hay muy pocos y están muy alejados por lo que los electrones de átomos diferentes están al mismo nivel energético. Esa energía es la "Energía del átomo Aceptor" (EA).

A 300 ºK o más, el electrón cercano a EA sube desde la BV y deja un hueco en la BV mientras que la EA se llena de electrones. Se sigue dando generación térmica también, pero como antes es despreciable.

La barrera de energía

Antes de la Difusión

Empieza la Difusión y la Recombinación

Equilibrio

Polarización Directa

Polarización Inversa

Para poder comprender como funcionan los dispositivos semiconductores, es necesario conocer el modo en que los niveles de energía controlan la acción de una unión pn.

Ahora se verá como se forma la barrera de potencial de 0.7 V en el diodo. Veremos 5 puntos:

  • Antes de la difusión
  • Empieza la difusión y la recombinación
  • Equilibrio
  • Polarización Directa
  • Polarización Inversa

Antes de la Difusión

Zona p y n antes de unirse:

Instante inicial en que se juntan. Instante cero, todavía no ha habido difusión:

¿ Porqué están más altas una bandas en p que en n ?

Las órbitas de la zona p son más pequeñas y por lo tanto los radios también son más pequeños. Como se ha dicho anteriormente, hablar de radios es equivalente a hablar de energías, entonces las energías también son más pequeñas.

Esto es porque +5 atrae más fuertemente que +3. A mayor carga atrae con más fuerza, disminuye así el radio, con lo que la energía es menor.

Empieza la Difusión y la Recombinación

Los electrones pasan de derecha a izquierda y se recombinan con los huecos.

Cruzan y se recombinan los que están al lado de la unión. Se empieza a crear una diferencia de potencial entre una parte y otra, esta diferencia de potencial aumenta hasta que se establezca el equilibrio (Si a 0.7 V, Ge a 0.3 V).

En las Bandas de Energía ocurre lo siguiente: Un electrón va de n a p y luego en p baja de BC a BV.

Al recombinarse, la energía que hay desde el nivel que tenía al que está el hueco al que ha saltado la tiene que saltar y la suelta en forma de calor (un diodo se suele calentar) o también en forma de radiación que puede ser visible (Led) o no.

Esto continúa hasta que se llega a 0.7 V y se llega al equilibrio.

Y se ha creado una diferencia de potencial o anchura de banda (W).

Hasta ahora resumiendo lo que ha ocurrido es:

  • Difusión.
  • Recombinación.
  • Se ha formado una z.c.e. (ó deplexión).

Además de eso las bandas de energía se han desplazado (hasta llegar al equilibrio).

Equilibrio

Al llegar a 0.7 V las bandas se han desplazado. Han subido hasta que el nivel inferior de p este al mismo nivel que el nivel superior de n.

Y se mantendrán en esa posición a no ser que se rompa el equilibrio. En este equilibrio no puede difundirse ningún electrón, no hay difusión ni recombinación si no se rompe el equilibrio.

Veamos porque se han desplazado:

Los átomos de valencia +3 tienen en la última órbita 7 electrones y 1 hueco. Las órbitas se ensanchan por el hueco y esto hace que aumenten los radios de la BV y BC. Aumenta radio lo que implica que aumenta la energía, hasta llegar a la situación antes explicada.

Con los átomos +5 ocurre lo contrario, disminuye el radio con lo que disminuye la energía.

Lo que ha ocurrido es que ya no hay radios coincidentes entre los átomos de valencia +3 y los de valencia +5, por eso se crea el equilibrio.

Polarización Directa

Ahora romperemos el equilibrio poniendo una pila.

La pila es una "Energía Externa" que hace subir los niveles de la zona n. Esta pila en directa elevará el nivel de energía de la zona n.

Suben las bandas de energía de la zona n y coinciden algunas con la de la zona p, y ya puede haber difusión y recombinación.

Entonces pasan los electrones, se recombinan, etc...Ahora la pila les obliga.

El electrón cruza la W y va pegando saltos de hueco en hueco formando una malla cerrada.

Algunos electrones puede que antes de cruzar bajen y se recombinen con el hueco, pero hay muchos más que se comportan de la otra manera.

Polarización Inversa

Otra forma de romper el equilibrio es con la Polarización Inversa, que se da poniendo la pila al revés que en el caso anterior.

Al poner la pila de esa forma aumenta el W porque la pila atrae a los huecos y los electrones.

Y se ensancha la W hasta igualarse la barrera de potencial al valor de la pila externa. En este ejemplo se llegará al nuevo equilibrio al llegar esa barrera de potencial al valor de 5 V.

Las bandas de energía de la zona n bajan respecto a la zona p, y no hay corriente.

Corrientes en un diodo en polarización inversa

En polarización inversa es más difícil la conducción, porque el electrón libre tiene que subir una barrera de potencial muy grande de n a p al ser mayor el valor de W. Entonces no hay conducción de electrones libres o huecos, no hay corriente.

En esta situación tenemos que tener en cuenta la generación térmica de pares electrón-hueco. Los pocos electrones generados térmicamente pierden energía y bajan de p a n, es la "Corriente Inversa de Saturación" (IS) que es muy pequeña.

Esa corriente tiene un sentido, siempre se toma la corriente de p a n. Entonces sería negativa en este caso.

Además de esta corriente tenemos otra corriente debida a las fugas, que se denomina "Corriente de Fugas" (If).

También ocurre un fenómeno antes de llegar a ese valor, antes de establecerse el valor de IS.

Mientras van saliendo huecos y electrones, entre el instante inicial y el equilibrio final, hay instantes intermedios. Se crea un transitorio durante el cual en un intervalo breve de tiempo hay una "Corriente Transitoria".

Itransitoria puede llegar a tener un valor muy grande.

Itransitoria = - Grande

Pero dura muy poco, unos nanosegundos. Su duración depende de la resistencia y la capacidad que haya en la malla, así tenemos una "Constante de Tiempo":

Esta constante de tiempo define lo rápido o lenta que es esa malla. Conviene que sea pequeña. Suele ser del orden de decenas de nanosegundos.

Si en vez de poner una pila de continua, conectamos el diodo a una onda alterna:

Al tener una onda senoidal el valor de la tensión se está variando continuamente, es como una pila variable, por ello siempre se moverá con retraso debido a esa. Por lo tanto, la frecuencia de esa onda senoidal es importante, por ejemplo para una frecuencia de 10 MH:
(decenas de nseg) ha de ser pequeño respecto a T. Entonces para frecuencias menores o iguales a 10MHz el circuito funcionaría bastante bien.

La malla tiene que ser suficientemente rápida respecto a la frecuencia de la senoidal.

Tenemos que la If (Intensidad debida a fugas) es proporcional a la tensión, mientras que la IS depende de la temperatura (IS aumenta 7 % por cada ºC).

Problemas

Problema 2.1

Problema 2.2

En este último apartado de este tema se resolverán algunos problemas relacionados con lo visto anteriormente.

Problema 2.1

¿Cuál es la barrera de potencial en un diodo de silicio cuando la temperatura de la unión es de 100 C?

Solución:

Si la temperatura de la unión aumenta a 100 C, la barrera de potencial disminuye en

(100 - 25)·2 mV = 150 mV = 0,15 V

con lo que el valor de la barrera de potencial es

VB = 0,7 V - 0,15 V = 0,55 V

Problema 2.2

Un diodo de silicio tiene una corriente inversa de saturación de 5 nA a 25 C. Calcule la corriente inversa de saturación a 100 C.

Solución:

La corriente inversa de saturación se duplica por cada aumento de 10 C. Por tanto, es igual a 10 nA a 35 C, 20 nA a 45 C, 40 nA a 55 C, 80 nA a 65 C, 160 nA a 75 C, 320 nA a 85 C, 640nA a 95 C, 1,28 mA a 100 C.

Recuerde que la regla sólo es una aproximación. Para obtener mayor precisión se puede emplear la regla del incremento del 7 por 100 por cada grado de aumento de temperatura. En este caso,

IS = 1,07·1,07·1,07·1,07·1,07·640 nA = 1,075·5 nA = 799 nA

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