Materiales Semiconductores

                El término semiconductor revela por sí mismo una idea de sus características. El prefijo semi suele aplicarse a un rango de niveles situado a la mitad entre dos límites.

               Un semiconductor, por tanto, es un material que posee un nivel de conductividad sobre algún punto entre los extremos de un aislante y un conductor.

              Aunque se puede estar familiarizado con las propiedades eléctricas del cobre y la mica, las características semiconductores, germanio (Ge) y silicio (Si), pueden ser relativamente nuevas. Algunas de las cualidades únicas del Ge y el Si es que ambos forman un patrón muy definido que es periódico en naturaleza (continuamente se repite el mismo). A un patrón completo se le llama cristal y al arreglo periódico de los átomos, red cristalina.

              Las características de los materiales semiconductores pueden ser alteradas significativamente por la adición de ciertos átomos de impureza a un material semiconductor relativamente puro. Estas impurezas, aunque sólo haya sido añadida 1 parte en 10 millones, pueden alterar en forma suficiente la estructura de la banda y cambiar totalmente las propiedades eléctricas del material.

Material tipo N

           Tanto el material tipo n como el tipo p se forman mediante la adicción de un número predeterminado de átomos de impureza al germanio o al silicio. El tipo n se crea a través de la introducción de elementos de impureza que poseen cinco electrones de valencia (pentavalentes), como el antimonio, arsénico y fósforo.

Las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se les llama átomos donadores.

                      Es importante comprender que, aunque un número importante de portadores "libres" se han creado en el material tipo n, éste aún es eléctricamente neutral, debido a que de manera ideal el número de protones cargados positivamente en los núcleos es todavía igual al número de electrones "libres" cargados negativamente y en órbita en la estructura.

Material tipo P

           El material tipo p se forma mediante el dopado de un cristal puro de germanio o de silicio con átomos de impureza que poseen tres electrones de valencia. Los elementos que se utilizan con mayor frecuencia para este propósito son el boro, galio e indio.

       A las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se les conoce como átomos aceptores.

           El material resultante tipo p el eléctricamente neutro, por las mismas razones descritas para el material tipo n.

Flujo de electrones comparado con flujo de huecos

Portadores mayoritarios y minoritarios

      En el estado intrínseco, el número de electrones libres en Ge o en Si se debe sólo a aquellos electrones en la banda de valencia que han adquirido suficiente energía de las fuentes térmicas o lumínicas para romper la unión covalente o a las pocas  impurezas que no pudieron eliminarse.  Las "vacantes" dejadas atrás en la estructura de uniones covalentes representan una cantidad muy limitada de huecos. En un material tipo n, el número de huecos no ha cambiado de manera significativa de su nivel intrínseco. El resultado neto, por tanto, es que el número de electrones supera por mucho el número de huecos. Por esta razón:

En un material tipo n al electrón se le llama portador mayoritario y el hueco es el portador minoritario.

En un material tipo p el hueco es el portador mayoritario y el electrón el portador minoritario.

                     Los materiales tipo n y p representan los bloques de construcción básicos de los dispositivos semiconductores.  En la siguiente  sección se encontrará  que la  "unión"   de un solo material tipo n con un material tipo p tendrá por resultado un elemento semiconductor de importancia considerable en los sistemas electrónicos.

DIODO  SEMICONDUCTOR

Símbolo: Aspecto físico:

                Actualmente los diodos se fabrican a partir de la unión de dos materiales semiconductores de características opuestas, es decir, uno de tipo N y otro de tipo P. A esta estructura se le añaden dos terminales metálicos para la conexión con el resto del circuito. 

Formación de la unión PN

                    Supongamos que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en  dos  zonas con una frontera nítida, definida por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de tipo N (Figura 1.4). La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos del grupo III en la red cristalina (por ejemplo, boro). La zona N dispone de electrones en exceso, procedentes de átomos del grupo V (fósforo). En ambos casos se tienen también portadores de signo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de magnitud inferior (portadores minoritarios).

Figura 1.4: Impurificación del silicio para la obtención de diodos PN

         En cada zona la carga total es neutra: por cada electrón hay un ion positivo, y por cada hueco un ion negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos eléctricos internos. En el momento mismo de crear dos zonas de diferente concentración de portadores, entra en juego el mecanismo de la difusión. Como se recordará, este fenómeno tiende a llevar partículas de donde hay más a donde hay menos. El efecto es que los electrones y los huecos cercanos a la unión de las dos zonas la cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir:

• Electrones de la zona N pasan a la zona P.

• Huecos de la zona P pasan a la zona N.

Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en la región de la zona P cercana a la unión:

1. El electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece una carga negativa, ya que antes de que llegara el electrón la carga total era nula.

2. Al pasar el hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de carga positiva en la zona P, con lo que también aparece una carga negativa.

                   El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N. En consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de carga, que es positiva en la zona N y negativa en la zona P (Figura 1.5).

Figura 1.5: Formación de la unión PN

          La distribución de cargas formada en la región de la unión provoca un campo eléctrico desde la zona N a la zona P. Este campo eléctrico se opone al movimiento de portadores según la difusión, y va creciendo conforme pasan  más cargas a la zona opuesta . Al final la fuerza  de la difusión y la del campo eléctrico se equilibran y cesa el trasiego de portadores. En ese momento está ya formado el diodo de unión PN, y como resultado del proceso se ha obtenido:

• Zona P, semiconductora.

• Zona N, semiconductora

• Zona de agotamiento (deplección): No es conductora, puesto que no posee portadores de carga libres.

En ella actúa un campo eléctrico, o bien entre los extremos actúa una barrera de potencial.

Polarización directa

         El bloque PN descrito en el apartado anterior (Figura 1.6) en principio no permite el establecimiento de una corriente eléctrica entre sus terminales puesto que la zona de deplección no es conductora.

Figura 1.6: Diodo PN durante la aplicación de una tensión inferior a la de barrera

                 Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de la zona de deplección (Figura 1.7). Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la conducción.

                       Figura 1.7: Diodo PN bajo la acción de una tensión mayor que la de barrera

                 Si la tensión aplicada supera a la de barrera, desaparece la zona de deplección y el dispositivo conduce. De forma simplificada e ideal, lo que sucede es lo siguiente (Figura 1.7):

1. Electrones y huecos se dirigen a la unión.

2. En la unión se recombinan.

                                      En resumen, polarizar un diodo PN en directa es aplicar tensión positiva a la zona P y negativa a la zona N. Un diodo PN conduce en directa porque se inunda de cargas móviles la zona de deplección.

La tensión aplicada se emplea en:

• Vencer la barrera de potencial.

• Mover los portadores de carga.

Polarización inversa

        Al contrario que en el apartado anterior, al aplicar una tensión positiva a la zona N y negativa a la zona P, se retiran portadores mayoritarios próximos a la unión. Estos portadores son atraídos hacia los contactos aumentando la anchura de la zona de deplección. Esto hace que la corriente debido a los portadores mayoritarios sea nula.

             Ahora bien, en ambas zonas hay portadores minoritarios. Un diodo polarizado en inversa lo está en directa para los minoritarios, que son atraídos hacia la unión. El movimiento de estos portadores minoritarios crea una corriente, aunque muy inferior que la obtenida en polarización directa para los mismos niveles de tensión.

                      Al aumentar la tensión inversa, llega un momento en que se produce la ruptura de la zona de deplección,  al igual  que sucede       en  un material  aislante: el campo eléctrico  puede ser  tan  elevado   que arranque electrones que forman los enlaces covalentes entre los átomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha. (Nota: Sin embargo, ello no conlleva necesariamente la destrucción del diodo, mientras la potencia consumida por el diodo se mantenga en niveles admisibles).

Característica tensión-corriente

La Figura 1. 9.-  muestra la característica V-I (tensión-corriente) típica de un diodo real.

Figura 1.9: Característica V-I de un diodo de unión PN.

      En la gráfica se aprecian claramente diferenciadas las diversas regiones de funcionamiento explicadas en el apartado anterior:

• Región de conducción en polarización directa (PD).

• Región de corte en polarización inversa (PI).

• Región de conducción en polarización inversa.

       Por encima de 0 Voltios, la corriente que circula es muy pequeña, hasta que no se alcanza la tensión de barrera (VON). El paso de conducción a corte no es instantáneo: a partir de VON la resistencia que ofrece el componente al  paso  de la  corriente  disminuye  progresivamente,  hasta  quedar  limitada  sólo  por  las resistencias  internas de las zonas P y N. La intensidad que circula por la unión aumenta rápidamente. En el caso de los diodos de silicio, VON se sitúa en torno a 0,7 V.

Clases de Diodos

Diferentes clases de diodos más comunes dentro de los circuitos electrónicos.

- Diodos de unión.

- Diodos de punta de contacto.

- Diodo emisores de luz.

- Diodo capacitivo (varicap).

- Diodo Zener.

- Diodo túnel.

- Diodo Gunn.

                Diodos de unión: Los diodos de unión son los que hemos venido describiendo en esta sección de diodos, es decir, el que consta de un cristal de germanio o de silicio, debidamente dopado, y tiene una forma cilíndrica. Son diodos para baja potencia que se usan mucho como rectificadores de pequeños aparatos. A esta clase de diodo también se le conoce con el nombre de diodos de juntura. Es muy conveniente aprenderse de memoria cada uno de los símbolos electrónicos de los diodos, ello nos facilitará la comprensión de los esquemas, no sólo los de de Areaelectronica.com, sino también cualquier esquema que necesiten entender.

Diodos de punta de contacto: Poseen unas propiedades similares a los diodos de unión y la única diferencia es, en todo caso, el sistema de construcción que se ha aplicado.

           Exactamente igual que ocurre con los diodos de unión, el diodo de punta de contacto se comporta dejando pasar la corriente en un solo sentido.

          Diodos emisores de luz: Los diodos emisores también son conocidos con el nombre de LED (iniciales de su   denominación  inglesa  Light  Emitter   Diode)  que  tienen la  particularidad de  emitir  luz cuando son atravesados por la corriente eléctrica.  Como quiera que consiguen una luz bastante viva y,  además, con una mínima cantidad de corriente (del orden a algunas decenas de miliamperios).

 Los diodos emisores de luz funcionan por un proceso físico en el que desprenden fotones al volver a su órbita de valencia. La energía luminosa radiada puede ser de color verde si el elemento a sido tratado con galio-fósforo,  o roja si lo sido con galio-arsenio.   De hecho los galios  son muy conocidos  por  la    gran variedad de aplicaciones que se les a encontrado en todo orden de aparatos electrónicos.

 Diodo capacitivo (varicap): Este diodo, también llamado diodo de capacidad variable, es, en esencia,    un diodo semiconductor cuya característica principal es la de obtener una capacidad que depende de la tensión inversa a él aplicada.

Se usa especialmente en los circuitos sintonizadores de televisión y los de receptores de radio en FM.

Diodo Zener: El diodo Zener, también llamado diodo regulador de tensión, podemos definirlo como un elemento semiconductor de silicio que tiene la característica de un diodo normal cuando trabaja en sentido directo, es decir,  en sentido de paso;  pero en sentido inverso, y para una corriente  inversa superior a un determinado  valor,  presenta  una tensión de  valor constante.  Este fenómeno  de tensión constante en el sentido inverso convierte a los diodos de  Zener en  dipositivos excepcionalmente útiles para obtener una tensión relativamente invisible  a las variaciones de la tensión de alimentación, es decir,  como dispositivos reguladores de tensión.

Diodo Tunel: Este diodo presenta una cualidad curiosa que se pone de manifiesto rápidamente al observar su curva característica, la cual se ve en el gráfico. En lo que respecta a la corriente en sentido de bloqueo se comporta como un diodo corriente, pero en el sentido de paso ofrece unas variantes según la tensión que se le somete.  La intensidad de la corriente crece con rapidez a  principio con muy poco valor de tensión hasta llegar a la cresta (C) desde donde, al recibir mayor tensión, se produce una pérdida de intensidad hasta D que vuelve a elevarse cuando se sobrepasa toda esta zona del valor de la tensión

Diodo Gunn: Este diodo tiene características muy diferentes a los anteriores, ya que no es rectificador. Se trata de un generador de microondas, formado por un semiconductor de dos terminales que utiliza el llamado efecto Gunn. Cuando se aplica entre ánodo y cátodo una tensión continua de 7 V, de modo que el ánodo sea positivo con respecto al cátodo, la corriente que circula por el diodo es continua pero con unos impulsos superpuestos de hiperfrecuencia que pueden ser utilizados para inducir oscilaciones en una cavidad resonante. De hecho, la emisión de microondas se produce cuando las zonas de campo eléctrico elevado se desplazan del ánodo al cátodo y del cátodo al ánodo en un constante viaje rapidísimo entre ambas zonas, lo que determina la frecuencia en los impulsos.

Funciones de los Diodos

A primera vista parece que el diodo solamente podría tener la misión de ser un rectificador de corriente, del modo que  se usa en el alternador.  Pero los diodos sirven para más  cosas y existen, además de los diodos llamados de superficie que son los característicos que acabamos de describir, otras formas y funciones para estos componentes  electrónicos   A continuación pondremos las funciones de los diodos con su respectiva explicación.

A. Como rectificadores: Este es el empleo más corriente y al que ya hemos explicado.

B. Como protector: Un circuito en donde convenga que la corriente circule solamente en un sentido determinado, y nunca en sentido contrario, puede ser protegido por la presencia de un diodo.

En la imagen vemos un ejemplo en donde se ha colocado un diodo entre un generador de corriente continua y la batería. El diodo no deja pasar la corriente de la batería al generador aún cuando si lo hace desde el generador a la batería de modo que hace las veces de un disyuntor sin contactos móviles ni degaste.

D. Otras variantes: Además existen variedad de diodos con características especiales. Así, los hay de disparo, que dejan pasar la corriente cuando se alcanza un determinado valor; los hay luminiscentes, termo sensibles, etc. que efectúan trabajos de regulación y estabilización de circuitos.

Código de designación de Diodos Semiconductores

Para la identificación de los diodos semiconductores se utiliza un código que consta de dos letras seguidas de un número de serie:

La primera letra distingue el material del semiconductor empleado.

La segunda letra indica la aplicación principal o aplicación y construcción en el caso de que se prefiera una mayor diferenciación.

El número de serie está formado por tres cifras para los dispositivos semiconductores diseñados para aplicación en aparatos de uso doméstico, o por una letra y dos cifras para los dispositivos semiconductores diseñados para equipos profesionales.

Daremos el significado de cada una de las letras que contituyen este código para podernos orientar en el caso de tener que proceder a la sustitución de algún diodo.

Primera letra. Puede ser:

A, indica que se utilizan materiales tales como el germanio.

B, indica que se utilizan materiales tales como el silicio.

C, que se utiliza antimoniuro de indio o arseniuro de galio.

Segunda letra. Puede ser:

A, si se trata de un diodo que puede ser detector, de alta velocidad o mezclador.

B, si se trata de un diodo de capacidad variable (varicap).

E, si se trata de un diodo tunel.

Y, si se trata de un diodo rectificador.

Z, si se trata de un diodo Zener regulador de tensión.

Número de serie. Varía según el fabricante y el modelo. Cuando hay tres cifras corresponde a modelos de aplicación en aparatos domésticos. Cuando hay una letra y dos cifras se refiere al uso de aparatos profesionales.

Esta configuración es la más utilizada. 

  

           Como en el caso anterior (base  común) solo el 1 % se recombina y el 99 % no se recombina. La dirección de I_E la es como en la configuración anterior. 

Por  definición  al  igual  que en  base común  existe  un factor de  ganancia  y se simboliza por  beta

 

A veces (casi siempre) se desprecia la I_B, por ser muy pequeña, en comparación con la I_C. y entonces,

            La entrada de señal se produce por la base y la salida por el emisor, en vez de por el colector como en el resto de los circuitos. El terminal común para la entrada y la salida es el colector, como su nombre indica. Si la unión base emisor está polarizada directamente, el transistor va a conducir, mientras que si está inversamente polarizada no lo hará.

Hemos visto al principio que este circuito también se llama seguidor de emisor, nombre que le viene porque el emisor sigue a la base, lo que quiere decir que la tensión que le apliquemos a la base va a ser reproducida por el emisor. Por ejemplo, si la base se encuentra a cero voltios, el emisor también estará a cero voltios y si la tensión de base es de seis voltios el emisor estará a la misma tensión. Para que esto suceda así el circuito tiene que estar funcionando en la zona activa. Pero )por qué sigue el emisor a la base en este tipo de circuitos? Como podemos ver en la ilustración que representa una configuración de colector común, el emisor tiene conectada una resistencia, R_E, que es la que va a hacer posible que el emisor siga a la base. 

              Para explicar este fenómeno supongamos primero que el emisor no tiene conectada dicha resistencia, y que la base tampoco tiene una resistencia entre ella y la tensión de entrada, olvidándonos de lo que tiene el resto del circuito: si la tensión de entrada a la base es más positiva que la tensión del emisor, por ejemplo un emisor conectado a 3 voltios y una base a 3,5 voltios, la unión base emisor se encontraría polarizada inversamente y el transistor no va a conducir, estará al corte. Sin embargo, si la base es más negativa (o menos positiva) que el emisor, por ejemplo una base a 2,9 voltios, el transistor empieza a conducir. Pero la tensión de la base no puede bajar más que un par de décimas para que el transistor siga funcionando en la región activa, ya que el emisor está conectado fijo a un potencial y, al no tener una resistencia de emisor, la diferencia no puede ser mayor; en este caso la base tiene que seguir lo que "impone" el emisor para que el transistor funcione. Si colocamos la resistencia de emisor, como sucede en un circuito de colector común y, por ejemplo, tenemos al emisor a una tensión de +3 voltios, la base tiene que ser más negativa para que el transistor conduzca, al tener que estar la unión base emisor polarizada directamente. 

            La diferencia con el caso en el que no teníamos resistencia de emisor es que ahora la base va a tener mucho más rango de valores válidos de tensión para que el transistor conduzca. Si está por ejemplo a +2,5 voltios, se va a establecer una corriente de base, I_B, y, por lo tanto, una corriente de emisor, Ie. Al circular esta Ie por la resistencia, R_E, el potencial de emisor va a hacerse más negativo (o menos positivo debido a la caída de potencial que se produce al atravesar una resistencia); por lo tanto, en este caso, el emisor está siguiendo a la base, ya que al hacer a la tensión de base más negativa, la tensión del emisor se ha hecho más negativa también. 

            Por lo tanto, podemos decir que la configuración de colector común es un seguidor de emisor.

            Este tipo de circuitos tiene un comportamiento muy bueno frente a las variaciones de temperatura y es debido a que tiene conectada una resistencia, R_E. El problema que pueden tener este tipo de circuitos es que disipan mucha potencia. Como en esta configuración se produce una ampliación de corriente, la corriente de salida es muy grande y al trabajar siempre en la región activa podemos disipar mucha potencia; este efecto se corrige poniendo una resistencia entre el colector y la fuente de alimentación.

            La característica más importante de esta configuración es que ofrece una "alta impedancia" (o resistencia) de entrada y una baja impedancia de salida. La corriente de entrada va a ser muy pequeña, mientras que la de salida puede llegar a ser muy grande. 

              Esta característica influye totalmente en las aplicaciones que damos a este circuito: se usa como adaptador de impedancias, es decir, cuando queramos obtener una baja impedancia de salida. 

             Sabemos que la tensión que apliquemos no va a variar al ser igual la de entrada que la de salida. Sin embargo, vamos a obtener una gran amplificación de la intensidad.