Introducción a la Electrónica de Dispositivos Universidad de Oviedo Área de Tecnología Electrónica
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas ATE-UO present. Objetivo: Introducir los conceptos básicos sobre el funcionamiento de los dispositivos semiconductores
Asignaturas:
Dispositivos Electrónicos (1º de Ing. Telecomunicación)
Electrónica General (4º de Ing. Industrial)
Autor: Javier Sebastián Zúñiga
Introducción a la Electrónica de Dispositivos Universidad de Oviedo Área de Tecnología Electrónica
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas ATE-UO present. Objetivo: Introducir los conceptos básicos sobre el funcionamiento de los dispositivos semiconductores
Asignaturas:
Dispositivos Electrónicos (1º de Ing. Telecomunicación)
Electrónica General (4º de Ing. Industrial)
Autor: Javier Sebastián Zúñiga
Materiales semiconductores (Sem01.ppt)
La unión PN y los diodos semiconductores (Pn01.ppt)
Transistores (Trans01.ppt) Introducción a la Electrónica de Dispositivos Universidad de Oviedo Área de Tecnología Electrónica
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas ATE-UO Sem 00
Semiconductores elementales: Germanio (Ge) y Silicio (Si)
Compuestos IV: SiC y SiGe
Compuestos III-V:
Binarios: GaAs, GaP, GaSb, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP y InSb
Ternarios: GaAsP, AlGaAs
Cuaternarios: InGaAsP
Compuestos II-VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe y CdTe Son materiales de conductividad intermedia entre la de los metales y la de los aislantes, que se modifica en gran medida por la temperatura, la excitación óptica y las impurezas. Materiales semiconductores (I) ATE-UO Sem 01
Estructura atómica del Carbono (6 electrones) 1s2 2s2 2p2 Estructura atómica del Silicio (14 electrones) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2 Estructura atómica del Germanio (32 electrones) 4 electrones en la última capa Materiales semiconductores (II) ATE-UO Sem 02
Distancia interatómica Estados discretos
(átomos aislados) Carbono gaseoso (6 electrones) 1s2, 2s2, 2p2 Materiales semiconductores (III) ATE-UO Sem 03 - 2s2 - Banda de estados 2p2 4 estados vacíos - - 1s2 - -
Reducción de la distancia interatómica del Carbono Materiales semiconductores (IV) ATE-UO Sem 04 Distancia interatómica Energía - - - - - - Grafito:
Hexagonal, negro, blando y conductor - - - - Diamante:
Cúbico, transparente, duro y aislante - - - -
Si un electrón de la banda de valencia alcanzara la energía necesaria para saltar a la banda de conducción, podría moverse al estado vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino, generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente casi ningún electrón tiene esta energía.
Es un aislante. Banda prohibida Eg=6eV Diagramas de bandas (I) Diagrama de bandas del Carbono: diamante ATE-UO Sem 05 Banda de valencia 4 electrones/átomo - - - - Banda de conducción 4 estados/átomo Energía
No hay banda prohibida. Los electrones de la banda de valencia tienen la misma energía que los estados vacíos de la banda de conducción, por lo que pueden moverse generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente es un buen conductor. Diagramas de bandas (II) Diagrama de bandas del Carbono: grafito ATE-UO Sem 06 Banda de valencia 4 electrones/átomo Banda de conducción 4 estados/átomo - - - - Energía
Si un electrón de la banda de valencia alcanza la energía necesaria para saltar a la banda de conducción, puede moverse al estado vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino, generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente algunos electrones tienen esta energía. Es un semiconductor. Diagramas de bandas (III) Diagrama de bandas del Ge ATE-UO Sem 07 Eg=0,67eV Banda prohibida Banda de valencia 4 electrones/átomo - - - - Banda de conducción 4 estados/átomo Energía
A 0ºK, tanto los aislantes como los semiconductores no conducen, ya que ningún electrón tiene energía suficiente para pasar de la banda de valencia a la de conducción. A 300ºK, algunos electrones de los semiconductores alcanzan este nivel. Al aumentar la temperatura aumenta la conducción en los semiconductores (al contrario que en los metales). Eg Banda de valencia Banda de conducción Aislante
Eg=5-10eV Diagramas de bandas (IV) ATE-UO Sem 08 Semiconductor
Eg=0,5-2eV Eg Banda de valencia Banda de conducción Banda de valencia Conductor
No hay Eg Banda de conducción
No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a que los electrones de la banda de valencia no pueden saltar a la banda de conducción. Representación plana del Germanio a 0º K ATE-UO Sem 09 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - -
Hay 1 enlace roto por cada 1,7·109 átomos.
Un electrón “libre” y una carga “+” por cada enlace roto. ATE-UO Sem 10 Situación del Ge a 0ºK Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + 300º K (I)
ATE-UO Sem 11 Situación del Ge a 300º K (II) Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + Generación - - + Recombinación Generación Siempre se están rompiendo (generación) y reconstruyendo (recombinación) enlaces. La vida media de un electrón puede ser del orden de milisegundos o microsegundos. - + + - - Recombinación Generación Muy
importante
+ - + + + + + + + ------- ATE-UO Sem 12 - Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + Aplicación de un campo externo (I) El electrón libre se mueve por acción del campo.
¿Y la carga ”+” ?. - - - -
Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + - + + + + + + + ------- ATE-UO Sem 13 Aplicación de un campo externo (II) - + - - La carga “+” se mueve también. Es un nuevo portador de carga, llamado “hueco”. Muy
importante
Mecanismo de conducción. Interpretación en diagrama de bandas ATE-UO Sem 14 - - - - Átomo 1 - - - - + Átomo 2 - - - - Átomo 3 + - Campo eléctrico + - -
jp jn Existe corriente eléctrica debida a los dos portadores de carga:
jp=q·p·p·E es la densidad de corriente de huecos.
jn=q·n·n·E es la densidad de corriente de electrones. Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior (I) E + + + + + - - - - - ATE-UO Sem 15 - - + + - - + + - - + + - - + + - - + + - - + + - - + + - - + + - - + + - - + +
jp=q·p·p·E jn=q·n·n·E Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior (II) ATE-UO Sem 16 q = carga del electrón
p = movilidad de los huecos
n = movilidad de los electrones
p = concentración de huecos
n = concentración de electrones
E = intensidad del campo eléctrico Muy
importante
Todo lo comentado hasta ahora se refiere a los llamados “Semiconductores Intrínsecos”, en los que:
No hay ninguna impureza en la red cristalina.
Hay igual número de electrones que de huecos n = p = ni Ge: ni = 2·1013 portadores/cm3
Si: ni = 1010 portadores/cm3
AsGa: ni = 2·106 portadores/cm3
(a temperatura ambiente) ¿Pueden modificarse estos valores?
¿Puede desequilibrarse el número de electrones y de huecos?
La respuesta son los Semiconductores Extrínsecos Semiconductores Intrínsecos ATE-UO Sem 17
A 0ºK, habría un electrón adicional ligado al átomo de Sb Tiene 5 electrones en la última capa Semiconductores Extrínsecos (I) Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo V ATE-UO Sem 18 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge - - - - Sb - - - 1 2 3 4 5 0ºK
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