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Capítulo 10:

 Semiconductores (1/2)

Antes de ver el funcionamiento de Diodos, Transistores y circuitos integrados, estudiaremos los materiales Semiconductores. Estos, que no son ni conductores ni aislantes, tienen electrones libres, pero lo que les caracteriza especialmente son los huecos.

En este tema, veremos los conceptos y propiedades más importantes de los Semiconductores.

Los objetivos de este tema son:

Conocer las características de los semiconductores y conductores a nivel atómico.

Ser capaz de describir la estructura de un cristal de Silicio.

Saber cuales son y como se comportan los dos tipos de portadores y sus impurezas.

Ser capaz de explicar las condiciones que se dan en la unión pn sin polarizar, polarizada en directa y polarizada en inversa.

Conocer los dos tipos de corrientes de ruptura provocados por la aplicación sobre un diodo de gran voltaje en inversa.

Conductores

Un conductor es un material que, en mayor o menor medida, conduce el calor y la electricidad. Son buenos conductores los metales y malos, el vidrio, la madera, la lana y el aire.

NOTA: Definimos la unidad de carga +1 como +1,6·10-19 culombios. Así un electrón tiene una carga -1 equivalente a -1,6·10-19 culombios.

El conductor más utilizado y el que ahora analizaremos es el Cobre (valencia 1), que es un buen conductor. Su estructura atómica la vemos en la siguiente figura.

Semiconductores (1/2)

Su número atómico es 29. Esto significa que en el núcleo hay 29 protones (cargas positivas) y girando alrededor de él hay 29 electrones girando en diferentes órbitas.

En cada órbita caben 2n2 siendo n un número entero n = 1, 2, 3, ... Así en la primera órbita (n = 1) caben 212 = 2 electrones. En la segunda órbita 2·22 = 8 electrones. En la tercera órbita 2·32 = 18 electrones. Y la cuarta órbita solo tiene 1 electrón aunque en ella caben 2·42 = 32 electrones.

Lo que  interesa en electrónica es la órbita exterior, que es la que determina las propiedades del átomo. Como hay + 29 y - 28, queda con + 1.

Por ello vamos a agrupar el núcleo y las órbitas internas, y le llamaremos parte interna. En el átomo de cobre la parte interna es el núcleo (+ 29) y las tres primeras órbitas (- 28), con lo que nos queda la parte interna con una carga neta de +1.

Semiconductores (1/2)

Como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte interna, una fuerza externa puede liberarlo fácilmente, por eso es un buen Conductor. Nos referiremos a ese electrón de valencia, como electrón libre.

Lo que define a un buen conductor es el hecho de tener un solo electrón en la órbita de valencia (valencia 1).

Así, tenemos que:

A 0 ºK (-273 ºC) un metal no conduce.

A Temperatura ambiente 300 ºK ya hay electrones libres debidos a la energía térmica.

- Si tenemos un campo eléctrico aplicado los electrones libres se mueven en todas direcciones. Como el movimiento es al azar, es posible que muchos electrones pasen por unidad de área en una determinada dirección y a la vez en la dirección opuesta. Por lo tanto la corriente media es cero.

Semiconductores (1/2)

- Veamos ahora como cambia la situación, si se aplica al metal un campo eléctrico.

Semiconductores (1/2)

Los electrones libres se mueven ahora en una dirección concreta. Y por lo tanto ya hay carga (en culombios) que cruza la sección del metal en un segundo, o sea ya existe una corriente.

Como ya conocemos, el electrón tiene una carga negativa (-1,619-19 culombios) y por tanto el convenio tomado para definir la corriente (contrario al movimiento de las cargas negativas) nos indica que la corriente toma el sentido indicado en la figura.

El electrón se mueve dentro de la red cristalina del metal con una velocidad media.

Semiconductores (1/2)

La resistencia que opone la barra de metal al paso de la corriente la podemos calcular de la siguiente forma:

Semiconductores (1/2)

Semiconductores

Son elementos, como el germanio y el silicio, que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medida que se eleva la temperatura o bien por la adicción de determinadas impurezas resulta posible su conducción. Su importancia en electrónica es inmensa en la fabricación de transistores, circuitos integrados, etc...

Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en órbita exterior ó de valencia. Los conductores tienen 1 electrón de valencia, los semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones de valencia.

Los 2 semiconductores que veremos serán el Silicio y el Germanio:

Semiconductores (1/2)

Como vemos los semiconductores se caracterizan por tener una parte interna con carga + 4 y 4 electrones de valencia.

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