Diodos semiconductores

Semiconductores básicos

Si las resistencias son el componente pasivo más básico en los circuitos eléctricos o electrónicos, entonces debemos considerar el diodo de señal como el componente activo más básico.

Sin embargo, a diferencia de una resistencia, un diodo no se comporta linealmente con respecto al voltaje aplicado, ya que tiene una relación IV exponencial y, por lo tanto, no se puede describir simplemente usando la ley de Ohm como lo hacemos con las resistencias.

Los diodos son dispositivos semiconductores unidireccionales básicos que solo permitirán que la corriente fluya a través de ellos en una sola dirección, actuando más como una válvula eléctrica unidireccional (condición de polarización directa). Pero, antes de ver cómo funcionan los diodos de señal o de potencia, primero debemos comprender la construcción y el concepto básicos de los semiconductores.

Los diodos están hechos de una sola pieza de material semiconductor que tiene una «región P» positiva en un extremo y una «región N» negativa en el otro, y que tiene un valor de resistividad en algún lugar entre el de un conductor y un aislante. Pero, ¿qué es un material “semiconductor”? En primer lugar, veamos qué hace que algo sea un conductor o un aislante.

Resistividad

La resistencia eléctrica de un componente o dispositivo eléctrico o electrónico se define generalmente como la relación entre la diferencia de voltaje a través de él y la corriente que fluye a través de él, principios básicos de la Ley de Ohm . El problema con el uso de la resistencia como medida es que depende en gran medida del tamaño físico del material que se mide, así como del material del que está hecho. Por ejemplo, si tuviéramos que aumentar la longitud del material (haciéndolo más largo), su resistencia también aumentaría proporcionalmente.

Asimismo, si aumentamos su diámetro o tamaño (haciéndolo más grueso) su valor de resistencia disminuiría. Por lo tanto, queremos poder definir el material de tal manera que indique su capacidad para conducir u oponerse al flujo de corriente eléctrica a través de él, sin importar cuál sea su tamaño o forma.

La cantidad que se usa para indicar esta resistencia específica se llama resistividad y se le da el símbolo griego de ρ, (Rho). La resistividad se mide en ohmios, (Ω.m ). La resistividad es la inversa a la conductividad.

Si se compara la resistividad de varios materiales, se pueden clasificar en tres grupos principales, conductores, aislantes y semiconductores como se muestra a continuación:

Cuadro de resistividad

resistivity chartObserve que existe un margen muy pequeño entre la resistividad de los conductores como la plata y el oro, en comparación con un margen mucho mayor para la resistividad de los aisladores entre el vidrio y el cuarzo.Esta diferencia de resistividad se debe en parte a su temperatura ambiente, ya que los metales son mejores conductores de calor que los aislantes.

Conductores

Con lo de arriba ahora sabemos que los conductores son materiales que tienen valores muy bajos de resistividad, generalmente en los micro-ohmios por metro. Este bajo valor les permite pasar fácilmente una corriente eléctrica debido a que hay muchos electrones libres flotando dentro de su estructura básica de átomo. Pero estos electrones solo fluirán a través de un conductor si hay algo que estimule su movimiento, y ese algo es un voltaje eléctrico.

Cuando se aplica un potencial de voltaje positivo al material, estos “electrones libres” abandonan su átomo original y viajan juntos a través del material formando una deriva de electrones, más comúnmente conocida como corriente. La “libertad” con la que estos electrones pueden moverse a través de un conductor depende de la facilidad con la que puedan liberarse de sus átomos constituyentes cuando se aplica un voltaje. Entonces, la cantidad de electrones que fluyen depende de la cantidad de resistividad que tenga el conductor.

Los ejemplos de buenos conductores son generalmente metales como el cobre, aluminio, plata o no metales como el carbono porque estos materiales tienen muy pocos electrones en su «capa de valencia» o anillo exterior, lo que hace que sean fácilmente eliminados de la órbita del átomo.

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Un cable eléctrico utiliza conductores y aislantes.

Esto les permite fluir libremente a través del material hasta que se unen con otros átomos, produciendo un «efecto dominó» a través del material creando así una corriente eléctrica. El cobre y el aluminio es el conductor principal utilizado en los cables eléctricos como se muestra:

En términos generales, la mayoría de los metales son buenos conductores de electricidad, ya que tienen valores de resistencia muy pequeños, generalmente en la región de los micro-ohmios por metro, (μΩ.m).

Si bien los metales como el cobre y el aluminio son muy buenos conductores de la electricidad, aún tienen cierta resistencia al flujo de electrones y, en consecuencia, no conducen perfectamente.

La energía que se pierde en el proceso de pasar una corriente eléctrica, aparece en forma de calor, por lo que los conductores y especialmente las resistencias se calientan a medida que la resistividad de los conductores aumenta con la temperatura ambiente.

Los aislantes

Los aislantes, por otro lado, son exactamente lo opuesto a los conductores. Están hechos de materiales, generalmente no metales, que tienen muy pocos o ningún «electrón libre» flotando dentro de su estructura básica de átomo porque los electrones en la capa de valencia externa son fuertemente atraídos por el núcleo interno cargado positivamente.

En otras palabras, los electrones están pegados al átomo principal y no pueden moverse libremente, por lo que si se aplica un voltaje potencial al material, no fluirá corriente ya que no hay «electrones libres» disponibles para moverse, lo que le da a estos materiales su propiedad de aislamiento.

Los aislantes también tienen resistencias muy altas, millones de ohmios por metro, y generalmente no se ven afectados por los cambios de temperatura normales (aunque a temperaturas muy altas la madera se convierte en carbón y cambia de aislante a conductor). Algunos ejemplos de buenos aislantes son el mármol, el cuarzo fundido, los plásticos de PVC, el caucho, etc. 

Los aislantes juegan un papel muy importante dentro de los circuitos eléctricos y electrónicos, porque sin ellos los circuitos eléctricos se producirían un cortocircuito entre sí y no funcionarían. Por ejemplo, los aislantes de vidrio o porcelana se utilizan para aislar y soportar cables de transmisión aéreos, mientras que los materiales de resina de vidrio epoxi se utilizan para fabricar placas de circuitos impresos, PCB, etc. Mientras que el PVC se utiliza para aislar cables eléctricos como se muestra:

Conceptos básicos de semiconductores

Los materiales semiconductores como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el arseniuro de galio (GaAs) tienen propiedades eléctricas en algún punto intermedio, entre las de un «conductor» y un «aislante». No son buenos conductores ni buenos aislantes (de ahí su nombre de “semiconductores”). Tienen muy pocos «electrones libres» porque sus átomos están estrechamente agrupados en un patrón cristalino llamado «red cristalina», pero los electrones aún pueden fluir, pero solo en condiciones especiales.

La capacidad de los semiconductores para conducir electricidad se puede mejorar enormemente reemplazando o agregando ciertos átomos donantes o aceptores a esta estructura cristalina, produciendo así más electrones libres que huecos o viceversa. Eso es agregando un pequeño porcentaje de otro elemento al material base, ya sea silicio o germanio.

Por sí solos, el silicio y el germanio se clasifican como semiconductores intrínsecos, es decir, son químicamente puros y no contienen nada más que material semiconductor. Pero al controlar la cantidad de impurezas agregadas a este material semiconductor intrínseco, es posible controlar su conductividad. Se pueden agregar varias impurezas llamadas donantes o aceptores a este material intrínseco para producir electrones libres o huecos, respectivamente.

Este proceso de agregar átomos donantes o aceptores a los átomos semiconductores (del orden de 1 átomo de impureza por cada 10 millones (o más) de átomos del semiconductor) se llama Dopaje. Como el silicio dopado ya no es puro, estos átomos donantes y aceptores se denominan colectivamente «impurezas», y al dopar este material de silicio con una cantidad suficiente de impurezas, podemos convertirlo en un material semiconductor tipo N o tipo P.

El material básico de semiconductores más comúnmente utilizado es, con mucho, el silicio. El silicio tiene cuatro electrones de valencia en su capa más externa que comparte con sus átomos de silicio vecinos para formar orbitales completos de ocho electrones. La estructura del enlace entre los dos átomos de silicio es tal que cada átomo comparte un electrón con su vecino, lo que hace que el enlace sea muy estable.

Como hay muy pocos electrones libres disponibles para moverse alrededor del cristal de silicio, los cristales de silicio puro (o germanio) son buenos aislantes, o al menos resistencias de muy alto valor.

Los átomos de silicio están dispuestos en un patrón simétrico definido, lo que los convierte en una estructura sólida cristalina. Generalmente se dice que un cristal de sílice pura (dióxido de silicio o vidrio) es un cristal intrínseco (no tiene impurezas) y, por lo tanto, no tiene electrones libres.

Pero simplemente conectar un cristal de silicio a una batería no es suficiente para extraerle una corriente eléctrica. Para hacer eso, necesitamos crear un polo «positivo» y uno «negativo» dentro del silicio que permita que los electrones y, por lo tanto, la corriente eléctrica fluyan fuera del silicio. Estos polos se crean dopando el silicio con ciertas impurezas.

Una estructura de átomo de silicio

silicon atom - Diodos semiconductores - ClasesParaTodos.org

El diagrama anterior muestra la estructura y la red de un cristal puro «normal» de silicio.

Conceptos básicos de semiconductores tipo N

Para que nuestro cristal de silicio conduzca electricidad, necesitamos introducir un átomo de impureza como arsénico, antimonio o fósforo en la estructura cristalina haciéndola extrínseca (se agregan impurezas). Estos átomos tienen cinco electrones externos en su orbital más externo para compartir con los átomos vecinos y comúnmente se denominan impurezas «pentavalentes».

Esto permite que cuatro de los cinco electrones orbitales se unan con sus átomos de silicio vecinos dejando que un «electrón libre» se vuelva móvil cuando se aplica un voltaje eléctrico (flujo de electrones). Como cada átomo de impureza «dona» un electrón, los átomos pentavalentes se conocen generalmente como «donantes».

El antimonio (símbolo Sb) y el fósforo (símbolo P) se utilizan con frecuencia como aditivo pentavalente del silicio. El antimonio tiene 51 electrones dispuestos en cinco capas alrededor de su núcleo y el orbital más externo tiene cinco electrones. El material básico semiconductor resultante tiene un exceso de electrones portadores de corriente, cada uno con una carga negativa, y por lo tanto se denomina material de tipo N con los electrones llamados «Portadores mayoritarios», mientras que los huecos resultantes se denominan «Portadores minoritarios».

Cuando son estimulados por una fuente de energía externa, los electrones liberados de los átomos de silicio por esta estimulación son rápidamente reemplazados por los electrones libres disponibles de los átomos de antimonio dopados. Pero esta acción todavía deja un electrón extra (el electrón liberado) flotando alrededor del cristal dopado, lo que lo carga negativamente.

Entonces, un material semiconductor se clasifica como de tipo N cuando su densidad de donante es mayor que su densidad de aceptor, en otras palabras, tiene más electrones que huecos creando así un polo negativo como se muestra:

Átomo de antimonio y dopaje

antimony atom - Diodos semiconductores - ClasesParaTodos.org

El diagrama anterior muestra la estructura y la red del átomo de impureza donante Antimonio.

Conceptos básicos de semiconductores de tipo P

Si vamos en sentido contrario e introducimos una impureza «trivalente» (3 electrones) en la estructura cristalina, como el aluminio, el boro o el indio, que tienen solo tres electrones de valencia disponibles en su orbital más externo, no se puede formar un cuarto enlace cerrado. Por lo tanto, no es posible una conexión completa, lo que le da al material semiconductor una gran cantidad de portadores cargados positivamente conocidos como agujeros en la estructura del cristal donde efectivamente faltan electrones.

Como ahora hay un agujero en el cristal de silicio, un electrón vecino es atraído hacia él e intentará moverse dentro del agujero para llenarlo. Sin embargo, el electrón que llena el agujero deja otro agujero detrás de él a medida que se mueve. Esto a su vez atrae a otro electrón que a su vez crea otro agujero detrás de él, y así sucesivamente dando la apariencia de que los agujeros se mueven como una carga positiva a través de la estructura cristalina (flujo de corriente convencional).

Este movimiento de agujeros da como resultado una escasez de electrones en el silicio, convirtiendo todo el cristal dopado en un polo positivo. A medida que cada átomo de impureza genera un agujero, las impurezas trivalentes se conocen generalmente como «Aceptores«, ya que continuamente «aceptan» electrones adicionales o libres.

El boro (símbolo B) se usa comúnmente como aditivo trivalente, ya que solo tiene cinco electrones dispuestos en tres capas alrededor de su núcleo, y el orbital más externo tiene solo tres electrones. El dopaje de los átomos de boro hace que la conducción consista principalmente en portadores de carga positiva, lo que da como resultado un material de tipo P con los agujeros positivos que se denominan «Portadores mayoritarios», mientras que los electrones libres se denominan «Portadores minoritarios».

Entonces, un material básico semiconductor se clasifica como tipo P cuando su densidad de aceptor es mayor que su densidad de donante. Por tanto, un semiconductor de tipo P tiene más huecos que electrones.

Átomo de boro y dopaje

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El diagrama anterior muestra la estructura y la red del átomo de impureza aceptor Boro.

Resumen de Semiconductores básicos 

Tipo N (por ejemplo, dopado con antimonio)

Estos son materiales que tienen pentavalentes átomos de impurezas(donantes) añaden y la conducta por el movimiento “de electrones” y por lo tanto se llaman, los semiconductores de tipo N.

En los semiconductores de tipo N hay:

  • 1. Los donantes están cargados positivamente.
  • 2. Hay una gran cantidad de electrones libres.
  • 3. Un pequeño número de huecos en relación con el número de electrones libres.
  • 4. El dopaje da:
    •  donantes con carga positiva.
    •  electrones libres cargados negativamente.
  • 5. El suministro de energía da:
    •  electrones libres cargados negativamente.
    •  Agujeros cargados positivamente.

Tipo P (por ejemplo, dopado con boro)

Estos son materiales que tienen trivalentes átomos de impureza (Aceptadores) añadido y la conducta por el movimiento “agujero” y por lo tanto se llaman, los semiconductores de tipo P.

En este tipo de materiales se encuentran:

  • 1. Los Aceptadores están cargados negativamente.
  • 2. Hay una gran cantidad de agujeros.
  • 3. Un pequeño número de electrones libres en relación con el número de huecos.
  • 4. El dopaje da:
    •  aceptadores cargados negativamente.
    •  Agujeros cargados positivamente.
  • 5. El suministro de energía da:
    •  Agujeros cargados positivamente.
    •  electrones libres cargados negativamente.

Y tanto los tipos P como los tipos N en su conjunto, son eléctricamente neutrales por sí mismos.

El antimonio (Sb) y el boro (B) son dos de los agentes dopantes más utilizados, ya que están más disponibles en comparación con otros tipos de materiales. También se clasifican como «metaloides». Sin embargo, la tabla periódica agrupa una serie de otros elementos químicos diferentes, todos con tres o cinco electrones en su capa orbital más externa, lo que los hace adecuados como material de dopaje.

Estos otros elementos químicos también se pueden usar como agentes dopantes para un material base de silicio (Si) o germanio (Ge) para producir diferentes tipos de materiales semiconductores básicos para su uso en componentes electrónicos semiconductores, microprocesadores y aplicaciones de células solares. Estos materiales semiconductores adicionales se dan a continuación:

Tabla periódica de semiconductores

Elementos Grupo 13Elementos Grupo 14Elementos Grupo 15
3-Electrones en lapositivamente)externa4-Electrones en laexternacapa(cargadoscapa(Cargados neutramente)capa5-Electrones en la externa(Cargados negativamente)
(5)Boro (B)(6)Carbono (C)
(13)Aluminio (Al)(14)Silicio (Si)(15)Fósforo (P)
(31)Galio (Ga)(32)Germanio (Ge)(33)Arsénico (As)
( 51)Antimonio (Sb)

En el próximo tutorial sobre semiconductores y diodos, veremos cómo unir los dos materiales básicos de semiconductores, materiales de tipo P y tipo N para formar una unión PN que se puede usar para producir diodos.

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