viernes, 24 de marzo de 2017

Apuntes de electrónica

Semiconductores extrínsecos


Son los semiconductores que están dopados, esto es que tienen impurezas. Hay 2 tipos dependiendo de que tipo de impurezas tengan:
Semiconductor tipo n
Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".
Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco.
Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batería.
Semiconductor tipo p
Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.
Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo.
En el circuito hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/TEMA2.htm


Semiconductores extrínsecos

Los semiconductores extrínsecos se obtienen mediante un proceso concoido como dopaje y que consiste en la introducción de impurezas (dopantes) de forma controloda en semiconductores intrínsecos. En función del dopante utilizado se puede obtener semiconductores tipo P (positivos) o semiconductores tipo N (negativos)

Semiconductores extrínsecos tipo N

Los semiconductores extrínsecos tipo N son aquellos obtenidos por la adición de dopantes con más valencias que el semiconductor intrínseco de partida. En el caso del silicio, que es tetravalente se utilizan dopantes pentavalentes, por ejemplo fósforo. En cada átomo de fósforo quedará un electrón sin formar enlace. Este electrón puede saltar a la banda de conducción pero no deja ningún hueco, por lo que se dice que estos dopantes son donadores de electrones y quedarán más cargas negativas (electrones) en la banda de conducción que positivas (huecos) en la banda de valencia.
La conductividad del material aumenta enormemente, hasta 24100 añadiendo tan sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio. En la siguiente imagen podemos ver un esquema de este tipo de semiconductores:
Semiconductor extrinseco N
Esquema de un semiconductor extrinseco tipo N

Semiconductores extrínsecos tipo P

En los que semiconductores extrínsecos tipo P la situación es la contraria que en los tipo N. Se utilizan elementos con menos valencias que los semiconductores intrínsecos de partida. En el caso del Silicio se utilizan dopantes trivalentes, por ejemplo Boro. Se dice que estos dopantes son aceptores de electrones, pues quedan huecos en la banda de valencia dónde pueden saltar electrones que absorban energía en lugar de hacerlo a la banda de conducción. Se genera un balance neto de cargas positivas (huecos) en la banda de valencia superior a las cargas negativas (electrones) en la banda de conducción.
Semiconductor extrinseco P
Esquema de un semiconductor extrinseco tipo P

Aplicaciones

Los semiconductores tienen una infinidad de usos y aplicaciones, por ejemplo, son imprescindibles en la fabricación de diodos (entre ellos los LED), dispositivos electrónicos o paneles solares. Algunos de los semiconductores más utilizados son:
  • Termistores: la conductividad depende de la temperatura
  • Transductores de presión: la aplicación de presión a este tipo de semiconductor provoca que el gap de energía entre banda de conducción y valencia se estreche y aumente la conductividad.
  • Rectificadores (dispositivos de unión del tipo p-n): se unen semiconductores tipo n y p (unión p-n) y al hacerlo los electrones se concentran en la unión del tipo n y los huecos en la unión p, este desequilibrio electrónico crea un voltaje en la unión que se utiliza como rectificador.
  • Transistores de unión bipolar: estos transistores se utilizan generalmente en los CPU (unidades de procesamiento central) de ordenadores por la eficiencia en dar una respuesta rápida a la conmutación.
  • Transistores de efecto de campo: son utilizados frecuentemente para almacenar información en la memoria de los ordenadores.
https://curiosoando.com/que-es-un-semiconductor-extrinseco

Los semiconductores extrínsecos se caracterizan, porque tienen un pequeño porcentaje de impurezas, respecto a los intrínsecos; esto es, posee elementos trivalentes o pentavalentes, o lo que es lo mismo, se dice que el elemento está dopado.
Dependiendo de si está dopado de elementos trivalentes, o pentavalentes, se diferencian dos tipos:
Semiconductores extrínsecos tipo n:

Son los que están dopados, con elementos pentavalentes, como por ejemplo (As, P, Sb). Que sean elementos pentavalentes, quiere decir que tienen cinco electrones en la última capa, lo que hace que al formarse la estructura cristalina, un electrón quede fuera de ningún enlace covalente, quedándose en un nivel superior al de los otros cuatro. Como consecuencia de la temperatura, además de la formación de los pares e-h, se liberan los electrones que no se han unido.

Como ahora en el semiconductor existe un mayor número de electrones que de huecos, se dice que los electrones son los portadores mayoritarios, y a las impurezas se las llama donadoras.

En cuanto a la conductividad del material, esta aumenta de una forma muy elevada, por ejemplo; introduciendo sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es 24100 veces mayor que la del silicio puro.
Imagen

Semiconductores extrínsecos de tipo p:
En este caso son los que están dopados con elementos trivalentes, (Al, B, Ga, In). El hecho de ser trivalentes, hace que a la hora de formar la estructura cristalina, dejen una vacante con un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia, pues no existe el cuarto electrón que lo rellenaría.

Esto hace que los electrones salten a las vacantes con facilidad, dejando huecos en la banda de valencia, y siendo los huecos portadores mayoritarios.
Imagen


http://fisicauva.galeon.com/aficiones1925813.html


 Conductividad en semiconductores extrínsecos.
El interés del dopado es establecer un mejor control de la conductividad con la temperatura, de manera que permita el diseño de dispositivos electrónicos en los que se puedan mantener las señales eléctricas en un margen de temperaturas aceptables para los equipos electrónicos. La Ingeniería Electrónica se sirve de los semiconductores intrínsecos, convirtiéndoles en extrínsecos por dopado con impurezas, los cuales son utilizados como componentes sencillos: diodos, transistores, varistores, células fotovoltaicas, células fotosensibles, emisores-receptores láser o circuitos integrados.
Los parámetros que influyen en la capacidad conductora de los semiconductores extrínsecos comprobaremos que la temperatura es importante, pero está matizada por la concentración de agente dopante.
Al examinar la figura 8.26, en la que se representa conductividad frente a temperatura, observamos que en los semiconductores extrínsecos se da un doble mecanismo conductor:
 
Extrínseco, por el cual existe una concentración de portadores de carga libre mayoritarios proporcionado por las impurezas al ionizarse. Este mecanismo es propio de temperaturas bajas y ambientales.
 
Intrínseco, en el que por efectos de agitación térmica, se incrementa la cantidad de nuevos pares electrón-hueco. Este responde a mayores temperaturas.
Figura 8.26. Correlación conductividad-temperatura en semiconductores extrínsecos.

Por analogía con lo desarrollado en cuestiones anteriores, la conductividad total será la suma de las contribuciones intrínsecas y extrínsecas, ya que los portadores de carga libre pueden provenir de la ionización de lo dopantes o los propios átomos del semiconductor. La conductividad total será:

 

 (8.42)
en la que los subíndices I y E hacen referencia a los mecanismos intrínsecos y extrínseco. Antes debemos tener en cuenta que el material se encuentra en equilibrio térmico y también su población de portadores de carga libre. La neutralidad de la carga en un semiconductor en equilibrio térmico viene dada por la relación:

 

 (8.43)
en la que ND, NA son las concentraciones de impurezas donantes y aceptoras respectivamente, de manera que cuando se ionizan actúan de centros de carga fija, mientras que n y p representan las concentraciones de portadores de carga libre. La otra ecuación de equilibrio es la de acción de masas.
Para semiconductores de tipo N, los electrones son el portador mayoritario, los huecos son minoritarios y NA es cero. En los de tipo P, la situación es la contraria: p mayoritarios, n minoritarios y ND nulo. Otra simplificación aplicable a temperaturas bajas y medias es despreciar la concentración de portadores minoritarios de carga libre frente a la concentración de impurezas dopantes. Así pues, tendríamos resumidos en la tabla 8.8, las expresiones anteriores.

TABLA 8.8. Balance entre portadores de carga en equilibrio térmico.
Partiendo de los conceptos y aproximaciones anteriores, se puede llegar a demostrar las correlaciones entre los mecanismos de conducción intrínseco y extrínseco. Así tendremos que las componentes de la conductividad vendrán dadas por:
Semiconductores N

 

 (8.44)
en la que el primer sumando corresponde al mecanismo extrínseco y el segundo al intrínseco. ED es la energía de los niveles introducidos por las impurezas dopantes donantes en las cercanías del la banda de conducción. Haciendo Ed = EC - ED, y agrupando los parámetros no exponenciales de cada sumando bajo el símbolo s0E o s0I, según se refiera al mecanismo extrínseco o intrínseco, tendremos la ecuación anterior simplificada:

 

 (8.45)
Semiconductores P

 

 (8.46)
en la que el primer término corresponde al mecanismo extrínseco y el segundo al intrínseco. EA es la energía de los niveles introducidos por las impurezas dopantes aceptoras en las cercanías de la banda de valencia. Haciendo Ea = EA - EV, y agrupando los parámetros no exponenciales de cada sumando bajo el símbolo s0E o s0I, según se refiera al mecanismo extrínseco o intrínseco, la expresión anterior quedaría simplificada por la ecuación:

 

 (8.47)
Se ha observado que en el dominio de las bajas temperaturas, inferiores a la temperatura de ionización, la componente intrínseca de la conductividad es despreciable frente a la extrínseca, con lo que las ecuaciones 8.45 y 8.46 pueden expresarse de la forma:

 (N)  ó (P) 

 (8.48)
Los semiconductores extrínsecos están ligeramente impurificados con elementos químicos disueltos en su microestructura cristalina. Los dopantes poseen una capa de valencia con un electrón de mas o de menos que la de los átomos del semiconductor.
Los dopantes son de dos tipos: donantes y aceptores. Los primeros suministran electrones como portadores de carga libre, mientras los segundos proporcionan huecos como portadores de carga libre.
Las impurezas introducen niveles de energía en el intervalo de energía prohibida. Los donantes lo hacen próximo al nivel inferior de la banda de conducción. Los aceptores muy próximo al nivel superior de la banda de valencia.
La ionización de las impurezas donantes introduce electrones en la banda de conducción, quedando éstas como portadores de carga fija positiva. La ionización de impurezas aceptoras, introduce huecos en la banda de valencia, convirtiéndose ellas en portadores de carga fija negativa.
El mecanismo de conducción en los semiconductores extrínsecos muestra dos contribuciones: extrínseco e intrínseco. El mecanismo extrínseco es debido a un mayoritario suministro de portadores de carga libre por ionización de las impurezas. El intrínseco es debido a la generación térmica de pares electrón-hueco.
El mecanismo extrínseco es importante a temperaturas bajas y superiores a la ambiental. El mecanismo intrínseco toma importancia a temperaturas altas. 

https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm08/pfcm8_4_6.html

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