Fundamentos de los diodos semiconductores

Una propiedad de cada material que resulta útil para evaluar suministros totalmente diferentes en función de su potencial para conducir la electricidad se llama resistividad eléctrica. La resistividad se puede aproximar multiplicando la resistencia R del cable {un eléctrico} y el espacio de la sección transversal A, dividido por el tamaño del cable L.

La conductividad, que es recíproca de {la resistividad eléctrica}, caracteriza conjuntamente a los suministros de manera que permiten que la {electricidad} presente se mueva a través de ellos. Los conductores sabios tienen la menor resistividad eléctrica y una conductividad excesiva. La resistividad eléctrica depende en gran medida de la presencia de átomos de impurezas a través de los materiales y de la temperatura del tejido, es decir, a temperatura ambiente (20°C).

En numerosos conductores, semiconductores y aislantes, los valores de resistividad difieren linealmente con las variaciones de temperatura. La variación de la resistencia eléctrica por cada diploma Celsius de cambio de temperatura se conoce como coeficiente de resistencia a la temperatura. Esta cuestión está representada por la letra "alfa" (α).

Un coeficiente de temperatura optimista para un tejido implica que su resistencia aumentará con el incremento de la temperatura. Los conductores puros suelen tener un coeficiente de resistencia de temperatura optimista. Un coeficiente perjudicial para un tejido implica que su resistencia disminuirá con el aumento de la temperatura.

Los materiales semiconductores (carbono, silicio y germanio) suelen tener un coeficiente de resistencia a la temperatura perjudicial. En la tabla siguiente se indican los diferentes materiales con sus valores de resistividad y coeficientes de temperatura.

VOLVER ARRIBA

Los conductores están construidos con materiales de baja resistividad, con valores de resistividad del orden de los microohmios por metro (µΩ/m). Los metales con una resistividad eléctrica terriblemente baja, del orden de 1 x ohmios metros, se conocen como conductores. Estos metales tienen una gran cantidad de electrones libres.

Estos electrones libres parten de la capa de valencia de su átomo padre y producen una deriva de electrones que suele llamarse regalo eléctrico. Por ello, los metales son excelentes conductores de la energía eléctrica.

Los metales como el cobre, el aluminio, el oro y la plata, así como otros no metales comparables al carbono, son suministros conductores históricos. Muchos de los conductores metálicos son buenos conductores de la energía eléctrica, con valores de resistencia menores y valores de conducción excesivos.

A través del método de conducción, el calor fluye por todo el cuerpo. A través de la conducción, este calor circula también como falta de vitalidad y la pérdida aumentará con la mejora de la temperatura después de alcanzar la temperatura ambiente, es decir, 25ºC.

VOLVER ARRIBA

A diferencia de los conductores, los aislantes están compuestos por no metales con valores de resistividad del orden de 1 x ohmios metros. Los no metales sólo tienen unos pocos electrones libres, o ninguno, que fluyen a través de él o de la construcción atómica matriz, porque los electrones más externos están fuertemente unidos en enlaces covalentes entre un par de átomos. Como los electrones están cargados negativamente, los electrones libres a lo largo de la capa de valencia simplemente son atraídos por las partículas cargadas positivamente a lo largo del núcleo.

Como no hay electrones libres, cuando se utiliza un potencial optimista, no debe haber presencia eléctrica que circule por el tejido, lo que le confiere propiedades aislantes. Debido a este hecho, los aislantes (no metálicos) son muy malos conductores de la energía eléctrica.

Los no metales como el vidrio, el plástico, el caucho, la madera, la arena, el cuarzo y el teflón son ejemplos inteligentes de aislantes. Los aislantes de vidrio se utilizan para la transmisión de energía a tensión primaria. Los aislantes se utilizan como protectores del calor, el sonido y la energía eléctrica.

VOLVER ARRIBA

Los semiconductores tienen propiedades {eléctricas} entre los aislantes y los conductores. Ejemplos sensibles de excelentes semiconductores son el silicio (Si), el germanio (Ge) y el arseniuro de galio (GaAs). Estos componentes tienen sólo unos pocos electrones en toda la construcción atómica matriz, que escriben una red cristalina.

El silicio, material semiconductor esencial, aloja 4 electrones de valencia en toda la capa exterior formando 4 enlaces covalentes robustos con 4 átomos de silicio adyacentes, de forma que cada átomo comparte un electrón con el átomo vecino creando un enlace covalente robusto. Los átomos de silicio están dispuestos en una especie de red, creando una construcción cristalina.

La presencia eléctrica conductora es posible con el cristal semiconductor de silicio proporcionando un potencial externo al semiconductor e incorporando impurezas dopantes en el cristal semiconductor, creando así agujeros con cargas optimistas y perjudiciales.

VOLVER ARRIBA

El átomo de silicio tiene 14 electrones; sin embargo, la asociación de orbitales sólo tiene 4 electrones de valencia para ser compartidos por varios átomos. Estos electrones de valencia juegan un papel importante en el impacto fotovoltaico. Una enorme variedad de átomos de silicio se unen para formar una construcción cristalina.

En esta construcción, cada átomo de silicio comparte uno de sus 4 electrones de valencia con sus átomos de silicio vecinos. El cristal de silicio fuerte está compuesto por una colección diaria de modelos de 5 átomos de silicio. Esta asociación común y unida de átomos de silicio se conoce como red cristalina.

VOLVER ARRIBA

Las impurezas, como el fósforo, el arsénico y el antimonio, se añaden a la construcción cristalina del silicio para transformar el semiconductor intrínseco en un semiconductor extrínseco. Estos átomos de impureza suelen denominarse impurezas pentavalentes debido a que los 5 electrones de valencia de la capa más externa comparten electrones libres con los átomos vecinos.

Los átomos de impureza pentavalentes suelen denominarse donantes, ya que los 5 electrones de valencia del átomo de impureza se unen a los 4 electrones de valencia del silicio, formando 4 enlaces covalentes y dejando un electrón libre. Cada átomo de impureza produce un electrón libre en la banda de conducción. Una vez que se utiliza un potencial optimista para el semiconductor de tipo N, los electrones libres restantes son de tipo deriva para proporcionar {un presente eléctrico}.

Un semiconductor de tipo N es un conductor mayor que los materiales semiconductores intrínsecos. Los portadores de coste mayoritario en los semiconductores de tipo N son los electrones y los portadores de coste minoritario son los huecos. Los semiconductores de tipo N no suelen estar cargados negativamente, ya que el coste perjudicial de los átomos de impureza donantes se equilibra con el coste optimista de todo el núcleo.

La principal contribución a la circulación eléctrica actual es la de los electrones cargados negativamente, aunque hay una cierta contribución de los huecos cargados positivamente debido al par electrón-hueco.

VOLVER ARRIBA

Si se añade al cristal de silicio el factor de grupo 5, comparable a la impureza de Antimonio, el átomo de Antimonio construye 4 enlaces covalentes con 4 átomos de silicio, conectando los electrones de valencia del antimonio con los electrones de valencia de toda la capa exterior del silicio, dejando un electrón libre. Debido a este hecho, el átomo de impureza ha donado un electrón libre a la construcción, por lo que estas impurezas se conocen como átomos donantes.

VOLVER ARRIBA

Los componentes del grupo 3, comparables al boro, el aluminio y el indio, son complementarios a la construcción cristalina del silicio, ya que sólo tienen tres electrones en la capa más externa del tipo de tres enlaces covalentes cerrados, lo que deja la salida dentro de la construcción del enlace covalente y, posteriormente, un hueco dentro de la banda de valencia del diagrama de fases de vitalidad.

Este movimiento deja una gran variedad de portadores cargados positivamente, conocidos como agujeros, dentro de la construcción del cristal cuando hay déficit de electrones. Estos componentes del grupo 3 se conocen como átomos de impureza trivalentes.

La presencia de agujeros anchos atrae a los electrones vecinos a sentarse en él. Mientras el electrón llene los agujeros dentro del cristal de silicio, habrá nuevos agujeros detrás del electrón cuando se retire de él. Los agujeros recién creados atraen eficazmente a los electrones, la creación de nuevos agujeros diferentes resulta en el movimiento de los agujeros, creando un presente eléctrico común que circula dentro del semiconductor.

El movimiento de los agujeros dentro del cristal de silicio hace que el cristal de silicio aparezca como un polo optimista. Mientras que los átomos de impureza generan invariablemente agujeros, los componentes del grupo 3 se conocen como aceptantes porque los átomos de impureza suelen aceptar electrones libres.

El dopaje de componentes del grupo 3 en el cristal de silicio da lugar a semiconductores de tipo P. En este tipo de semiconductores de tipo P, los huecos son los portadores de coste mayoritario y los electrones son los portadores de coste minoritario.

VOLVER ARRIBA

Si al cristal semiconductor se le añaden componentes del grupo 3 comparables al boro, el galio y el indio, los átomos de impureza con tres electrones de valencia establecen tres enlaces covalentes robustos con los electrones de valencia del cristal de silicio, dejando un vacío. Este vacío se conoce como hueco y se representa esquemáticamente con un pequeño círculo o signo optimista, debido a la ausencia de un coste perjudicial.

VOLVER ARRIBA

Los materiales de tipo N son un tipo de materiales formados por la inclusión de componentes del grupo 5 (átomos de impurezas pentavalentes) en los cristales semiconductores y conducen la electricidad presente a través del movimiento de los electrones.

En los semiconductores de tipo N

• Los átomos de impureza son componentes pentavalentes.
• Los componentes de impureza con cristal fuerte dan muchos electrones libres.
• Las impurezas pentavalentes se conocen además como donantes.
• El dopaje proporciona una variedad mucho menor de huecos en comparación con la variedad de electrones libres.
• El dopaje con componentes del grupo 5 termina con donantes cargados positivamente y electrones libres cargados negativamente.

Los materiales de tipo P son un tipo de materiales con forma cuando se añaden componentes del grupo 3 (átomos de impureza trivalentes) al cristal fuerte. En estos semiconductores, el presente circula principalmente por los agujeros.

En los semiconductores de tipo P

1. Los átomos de impureza son componentes trivalentes.
2. Los componentes trivalentes terminan en una variedad extra de agujeros que aceptan electrones todo el tiempo. Por tanto, las impurezas trivalentes se conocen como aceptores.
3. El dopaje proporciona una variedad mucho menor de electrones libres en relación con la variedad de huecos.
4. El dopaje termina en aceptores cargados negativamente y agujeros cargados positivamente

Cada uno de los tipos p y N son eléctricamente neurales por sí mismos, ya que la contribución de electrones y huecos necesaria para conducir la electricidad presente es igual debido al par electrón-hueco. Tanto el boro (B) como el antimonio (Sb) se conocen como metaloides porque son probablemente los correctores de dopaje más utilizados en el semiconductor intrínseco para mejorar las propiedades de conductividad.

VOLVER ARRIBA

SIGUIENTE - TUTORIAL DE UNIÓN PN