Fundamentos de los diodos semiconductores

En este tutorial, descubriremos una introducción a los semiconductores, ya que son una parte importante de la electrónica. Antes de comprender una serie de unidades como los diodos semiconductores, los transistores, etc., es muy importante saber un poco sobre la conductividad eléctrica, el agujero de vitalidad y los tipos primarios de semiconductores.

Esta parte del tutorial sentará una base clave en el estudio sencillo de la unión PN, que se encuentra más adelante.

Introducción

Hay dos tipos de elementos semiconductores en los circuitos digitales y eléctricos. Son elementos energéticos y pasivos. Los diodos son los elementos energéticos más importantes y las resistencias son los elementos pasivos más importantes en los circuitos de diseño digital. Los diodos son unidades principalmente unidireccionales con una relación exponencial para las trazas de corriente-voltaje se componen de fuentes semiconductoras.

Los tres materiales vitales utilizados en la electrónica son los aislantes, los semiconductores y los conductores. Estos consumibles se clasifican cuando se trata de fenómenos eléctricos. La resistividad eléctrica, a menudo llamada resistencia eléctrica, es una medida de la eficacia con la que un tejido se niega a circular a través de él.

La unidad estándar de resistividad eléctrica es el ohmímetro [Ω m]. Un tejido con baja resistividad eléctrica significa que el movimiento eficiente {de la electricidad} cuesta todo el semiconductor.

Los semiconductores son los materiales cuyos valores de resistividad se sitúan entre los aislantes y los conductores. Estos suministros no son ni aislantes sensibles ni conductores sensibles. Sólo tienen unos pocos electrones libres como resultado de que sus átomos están fuertemente unidos en un tipo excesivamente cristalino se conoce como «red cristalina». Las muestras de semiconductores son de silicio y germanio.

Los semiconductores tienen una importancia excesiva en la fabricación de circuitos digitales y unidades integradas. La conductividad de los semiconductores puede alterarse simplemente por la temperatura y el enfoque de dopaje dentro del curso de fabricación. La aptitud para conducir la energía eléctrica en las fuentes semiconductoras se eleva significativamente al incluir una determinada cantidad de impurezas en la red cristalina, produciendo más electrones libres que huecos.

Las propiedades de los materiales semiconductores cambian significativamente al incluir pequeñas cantidades de impurezas en ellos. El método de cambiar la estabilidad entre electrones y huecos mediante la incorporación de átomos de impureza dentro de la red cristalina del silicio se conoce como dopaje. Estos átomos de impureza suelen llamarse dopantes. Basándose principalmente en el tipo de materiales dopantes incluidos, los cristales semiconductores se clasifican en dos tipos significativos de semiconductores de tipo n y semiconductores de tipo p.

2. Semiconductor dopado con elementos del grupo 5

Los componentes del grupo -V comparables al fósforo, el antimonio y el arsénico suelen clasificarse como impurezas de tipo N. Estos componentes tienen 5 electrones de valencia. Cuando las impurezas de tipo N se dopan en el cristal de silicio, 4 de los 5 electrones de valencia forman 4 enlaces covalentes robustos con los átomos adyacentes del cristal, dejando un electrón libre.

Del mismo modo, cada átomo de impureza de tipo N produce un electrón libre dentro de la banda conductora que es capaz de derivar para conducir la electricidad presente si se utiliza un posible para el tejido. Los semiconductores de tipo N también se denominarán donantes.

Los componentes del grupo III, comparables al boro, el aluminio, el galio y el indio, suelen clasificarse como impurezas de tipo P. Estos componentes tienen tres valencias electrónicas. Cuando se dopan impurezas de tipo P en el cristal de silicio, los tres electrones de valencia tienen tres enlaces covalentes robustos con los átomos adyacentes del cristal.

Hay un déficit de electrones para escribir el cuarto enlace covalente y esta carencia se denomina agujeros. Del mismo modo, cada átomo de impureza de tipo P produce un hueco dentro de la banda de valencia que es capaz de derivar para conducir la electricidad presente si se utiliza un posible para el tejido. Los semiconductores de tipo P también se denominarán aceptores.

3. Semiconductor dopado con elementos del grupo 3

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Resistividad

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.

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Maquinistas

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.

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Aisladores

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.

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Semiconductores

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.

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Construcción del átomo de silicio puro

4. Estructura atómica del silicio puro

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.

5.Red de cristales de silicio

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Semiconductor N-Sort

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}.

6. Semiconductor tipo N

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.

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Dopaje de semiconductores tipo N

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.

7. Átomo de antimonio y dopaje con antimonio

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Semiconductor P-Sort

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.

8. Semiconductor tipo P

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.

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Dopaje de semiconductores P-Sort

9. átomo de boro

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.

10 Dopado con un átomo de boro

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Resumen de los fundamentos de los semiconductores

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 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.

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SIGUIENTE – TUTORIAL DE UNIÓN PN

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