Electrónica básica – semiconductores

Y semiconductor es una sustancia cuya resistividad se encuentra entre conductores y aislantes. La resistividad no es la única propiedad que define a un material como semiconductor, pero tiene varias de las siguientes propiedades.

  • Los semiconductores tienen menos resistividad que los aislantes y más que los conductores.

  • Los semiconductores tienen un coeficiente de temperatura negativo. La resistencia de los semiconductores aumenta al disminuir la temperatura y viceversa.

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

Los dispositivos semiconductores se utilizan ampliamente en el campo de la electrónica. El transistor reemplazó a los voluminosos tubos de vacío, reduciendo el tamaño y el costo de los dispositivos, y esta revolución continuó creciendo, dando lugar a nuevos inventos como la electrónica integrada. La siguiente figura muestra la clasificación de semiconductores.

Clasificación de semiconductores

Conductividad en semiconductores

Habiendo adquirido algunos conocimientos sobre los electrones, llegamos a la conclusión de que la capa más externa tiene electrones de valencia que están débilmente unidos al núcleo. En tal átomo, que tiene electrones de valencia cuando se acerca a otro átomo, los electrones de valencia de ambos átomos se combinan, formandoPares electrónicos«. Esta conexión no es tan fuerte y por lo tanto Enlace covalente

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 y 4 en la última órbita. Estos 4 electrones son los electrones de valencia del átomo de germanio. Estos electrones tienden a combinarse con los electrones de valencia de los átomos vecinos para formar pares de electrones, como se muestra en la siguiente figura.

Llevando a cabo

Creación de agujeros

Debido a la energía térmica suministrada al cristal, algunos electrones tienden a moverse fuera de lugar y romper enlaces covalentes. Estos enlaces covalentes rotos hacen que los electrones libres deambulen aleatoriamente. Pero electrones a la izquierda crea un espacio vacío o valencia detrás de lo que se llama agujero

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

Corriente del agujero

Ya está claro que cuando se rompe un enlace covalente, se forma un agujero. De hecho, un cristal semiconductor tiene una fuerte tendencia a formar un enlace covalente. Entonces no hay ningún agujero en el cristal. Esto se puede entender mejor en la siguiente figura que muestra la red cristalina de un semiconductor.

Corriente del agujero

Cuando un electrón se mueve desde el punto A, se forma un agujero. Debido a la tendencia a formar un enlace covalente, un electrón se mueve de B a A. Ahora, nuevamente, para equilibrar el enlace covalente en B, un electrón se mueve 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 es corriente del agujero… A esto se le llama corriente de huecos, pero no corriente de electrones, porque el movimiento de los huecos facilita el flujo de corriente.

Los electrones y los huecos, al estar en movimiento desordenado, pueden chocar entre sí, formando pares. Esta recombinación da como resultado la liberación de calor, que rompe otro enlace covalente. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la tasa de generación de electrones y huecos, por lo que aumenta la tasa de recombinación, lo que conduce a un aumento en 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 internos

Un semiconductor en su forma extremadamente pura se llama propio semiconductor… Las propiedades de este semiconductor puro son las siguientes:

  • Los electrones y los huecos se crean exclusivamente por excitación térmica.
  • El número de electrones libres es igual al número de huecos.
  • La conductividad eléctrica es baja a temperatura ambiente.

Para aumentar la conductividad de su propio semiconductor, es mejor agregar algunas impurezas. Este proceso de agregar impurezas se llama Dopaje… Este semiconductor interno dopado ahora se llama semiconductor externo.

Dopaje

El proceso de agregar impurezas a los materiales semiconductores se llama dopaje. Las impurezas añadidas suelen ser impurezas pentavalentes y trivalentes.

Impurezas pentavalentes

  • EN pentavalente Las impurezas son aquellas que tienen cinco electrones de valencia en su órbita más externa. Ejemplo: bismuto, antimonio, arsénico, fósforo.

  • El átomo pentavalente se llama átomo donante porque dona un electrón a la banda de conducción de un átomo semiconductor puro.

Impurezas trivalentes

  • EN trivalente Las impurezas son aquellas que tienen tres electrones de valencia en su órbita más externa. Ejemplo: galio, indio, aluminio, boro.

  • Un átomo trivalente se llama átomo aceptor porque acepta un electrón de un átomo semiconductor.

Semiconductor externo

Un semiconductor contaminado que se forma dopando un semiconductor puro se llama semiconductor externo… Hay dos tipos de semiconductores de impurezas según el tipo de impureza añadida. Es un semiconductor externo de tipo N y un semiconductor externo de tipo P.

Semiconductor exterior tipo N

Se agrega una pequeña cantidad de impureza pentavalente a un semiconductor puro, lo que da como resultado un semiconductor de tipo N externo. La impureza añadida tiene 5 electrones de valencia.

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

Semiconductor externo tipo N

Todos estos electrones libres forman la corriente de electrones. Por tanto, la impureza añadida al semiconductor puro proporciona electrones para la conducción.

  • En un semiconductor de impurezas de tipo N, dado que la conducción se produce a través de electrones, los electrones son portadores mayoritarios y los huecos son portadores minoritarios.

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

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

Semiconductor externo tipo P

Se agrega una pequeña cantidad de una impureza trivalente al semiconductor puro para formar un semiconductor de tipo P externo. La impureza añadida tiene 3 electrones de valencia. Por ejemplo, si se agrega un átomo de boro a un átomo de germanio, tres electrones de valencia se unirán a los átomos de Ge, formando tres enlaces covalentes. Pero un electrón más en el germanio permanece sin formación de enlaces. Dado que al boro no le quedan electrones para formar un enlace covalente, el espacio se trata como un agujero. Esto se muestra en la siguiente figura.

Semiconductor externo tipo P

La mezcla de boro, cuando se agrega en pequeñas cantidades, crea una serie de agujeros que ayudan en la conducción. Todos estos agujeros forman la corriente del agujero.

  • En un semiconductor de impureza de tipo P, dado que la conducción se produce a través de los orificios, los orificios son portadores mayoritarios y los electrones son portadores minoritarios.

  • La impureza agregada aquí da agujeros que se llaman aceptadoresporque aceptan electrones de átomos de germanio.

  • Dado que el número de orificios móviles sigue siendo igual al número de aceptores, el semiconductor de 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 agujeros se mueven hacia el electrodo negativo, pero más lentamente 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, en contraste con el tipo N.

¿Por qué se prefiere el silicio en los semiconductores?

Entre los materiales semiconductores como el germanio y el silicio, los materiales se utilizan ampliamente para producir varios componentes electrónicos. Silicio (Si)… Se prefiere el silicio al germanio por muchas razones, tales como:

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

  • La generación de vapor de calor es menor.

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

  • Si es más fácil de encontrar en la naturaleza que Ge.

  • El ruido es menor en componentes de Si que en Ge.

En consecuencia, el silicio se usa en la fabricación de muchos componentes electrónicos que se usan para crear diferentes circuitos para diferentes propósitos. Estos componentes tienen propiedades individuales y aplicaciones especiales.

Componentes electrónicos principales: resistencias, resistencias variables, condensadores, condensadores variables, inductores, diodos, diodos de túnel, diodos varactor, transistores, BJT, UJT, transistores de efecto de campo, MOSFET, LDR, LED, células solares, termistor, varistor, transformador, interruptores., relé, etc.

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