UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LA COSTA GRANDE DE GUERRERO.
NOMBRE DEL CUSO: ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
UNIDAD: 3 UNIDAD.
PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS.
TEMA: ACTIVIDAD PORTAFOLIO DE LA UNIDAD 3.
NOMBRE DEL FACILITADOR: ING. LUIS FERNANDO SALGADO MATA.
NOMBRE DE LOS PARTICIPANTES:
- JOSE ENRIQUE GARCÍA URIOSTEGUI.
- ALBERTO ROJAS CORDOVA.
TSU :MANTENIMIENTO ÁREA INSTALACIONES.
GRUPO: MI 4-1.
CORREO ELECTRÓNICO: 17303052@utcgg.edu.mx
FECHA DE ENTREGA: 05-12-2019.
"MATERIALES SEMICONDUCTORES."
introduccion
el estudio de las propiedades físicas de los materiales semiconductores y sus sorprendentes aplicaciones en el desarrollo técnico de dispositivos eléctricos, representan una de las revoluciones científico-tecnológicas de mayor impacto sobre nuestra sociedad. Para tener una idea de la real magnitud de esta revolución pensemos por un momento en los transistores, probablemente la aplicación tecnológica más importante de los semiconductores. Cualquier habitante del mundo moderno se encuentra rodeado cotidianamente por millones de transistores. Están en el televisor, en el equipo de música, en la máquina de lavar, en el reloj de pulsera, en el teléfono celular. Un computador personal puede llegar a tener algunos miles de millones de transistores. De hecho, en el mundo existen muchos más transistores que personas. Pero, naturalmente, una cosa es usar esta tecnología y otra muy distinta es entender como opera. Este último es el objetivo que persigue este breve artículo. Sin embargo, dada la naturaleza altamente especializada del tema y el reducido espacio disponible para desarrollarlo, siempre que sea posible dejaremos de lado las consideraciones de carácter técnico que obligarían a extender la discusión más allá de lo pertinente.
¿QUE SON LOS MATERIALES SEMICONDUCTORES?
Un semiconductor es un material aislante que, cuando se le añaden ciertas sustancias o en un determinado contexto, se vuelve conductor. Esto quiere decir que, de acuerdo a determinados factores, el semiconductor actúa a modo de aislante o como conductor.
Los semiconductores pueden ser intrínsecos o extrínsecos. Los semiconductores intrínsecos (que también se conocen como semiconductores extremadamente puros) son cristales que, a través de enlaces covalentes entre los átomos, desarrollan una estructura de tipo tetraédrico A temperatura de ambiente, estos cristales tienen electrones que absorben la energía que necesitan para pasar a la banda de conducción, quedando un hueco de electrón en la banda de valencia.
- Existen numerosos datos de gran interés acerca de los semiconductores como son los siguientes:
-La primera vez que se considera que se comenzó a hablar y a hacer uso de los mismos fue en la década de los años 20. En los conocidos como radiorreceptores, también llamados “de galeno”, fue donde se emplearon los mismos y eran unos detectores diodos de reducidas dimensiones.-En la década de los años 40, más exactamente en 1947, fue cuando varios investigadores de los Laboratorios Bell llevaron a cabo el desarrollo del primer semiconductor de germanio. A este le dieron en llamar transistor y pasó a ser un elemento fundamental dentro del mundo de la electrónica desde ese mismo momento.-Hay determinados semiconductores que, a pesar de ser reconocidos como tal, cuentan con una serie de características a medio camino entre conductores y aislantes que les lleva al final a tener dudas sobre si colocarlos en un lugar o en otro. Nos estamos refiriendo en concreto al citado germanio, al silicio y al selenio.-Además de todos los mencionados, otros importantes semiconductores son el cadmio, el boro, el indio, el galio…Todos los elementos químicos se califican como conductores, aislantes o semiconductores. Mientras que las conductores tienen baja resistencia a la circulación de la corriente eléctrica y los aislantes, alta, los semiconductores se ubican entre ambos ya que permiten el paso de la corriente sólo en ciertos casos. La temperatura, la presión, la radiación y los campos magnéticos pueden hacer que un semiconductor actúe como conductor o como aislante según el contexto.
- Semiconductores intrínsecos:
Es un semiconductor puro. A temperatura ambiente se comporta como un aislante porque solo tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la energía térmica.
En un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente total resultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares, por lo tanto hay tantos electrones libres como huecos con lo que la corriente total es cero.
La tensión aplicada en la figura forzará a los electrones libres a circular hacia la derecha (del terminal negativo de la pila al positivo) y a los huecos hacia la izquierda.
Cuando los electrones libres llegan la extremo derecho del cristal, entran al conductor externo (normalmente un hilo de cobre) y circulan hacia el terminal positivo de la batería. Por otro lado, los electrones libres en el terminal negativo de la batería fluirían hacia el extremos izquierdo del cristal. Así entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo izquierdo del cristal. Se produce un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor.
Para aumentar la conductividad (que sea más conductor) de un SC (Semiconductor), se le suele dopar o añadir átomos de impurezas a un SC intrínseco, un SC dopado es un SC extrínseco.
En un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente total resultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares, por lo tanto hay tantos electrones libres como huecos con lo que la corriente total es cero.
La tensión aplicada en la figura forzará a los electrones libres a circular hacia la derecha (del terminal negativo de la pila al positivo) y a los huecos hacia la izquierda.
Cuando los electrones libres llegan la extremo derecho del cristal, entran al conductor externo (normalmente un hilo de cobre) y circulan hacia el terminal positivo de la batería. Por otro lado, los electrones libres en el terminal negativo de la batería fluirían hacia el extremos izquierdo del cristal. Así entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo izquierdo del cristal. Se produce un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor.
Para aumentar la conductividad (que sea más conductor) de un SC (Semiconductor), se le suele dopar o añadir átomos de impurezas a un SC intrínseco, un SC dopado es un SC extrínseco.
Ejemplo de semiconductores intrinsecos:
Semiconductores intrínsecos
Son aquellos elementos cuya estructura molecular está conformada por un solo tipo de átomo. Entre este tipo de semiconductores intrínsecos se encuentra el silico y el germanio.
La estructura molecular de los semiconductores intrínsecos es tetraédrica; es decir, tiene enlaces covalentes entre cuatro átomos circundantes, tal como se presenta en la imagen a continuación.
Cada átomo de un semiconductor intrínseco tiene 4 electrones de valencia; es decir, 4 electrones orbitando en la capa más externa de cada átomo. A su vez, cada uno de estos electrones forma enlaces con los electrones adyacentes.
De esta forma, cada átomo cuenta con 8 electrones en su capa más superficial, con lo cual se forma una sólida unión entre los electrones y los átomos que conforman la red cristalina.
Debido a esta configuración, los electrones no se desplazan fácilmente dentro de la estructura. Así, en condiciones estándares, los semiconductores intrínsecos se comportan como un aislante.
No obstante, la conductividad del semiconductor intrínseco sube siempre que aumente la temperatura, ya que algunos electrones de valencia absorben energía calorífica y se separan de los enlaces.
Estos electrones se convierten en electrones libres y, si son direccionados adecuadamente mediante una diferencia de potencial eléctrico, pueden contribuir a la circulación de corriente dentro de la red cristalina.
En este caso, los electrones libres saltan a la banda de conducción y se dirigen al polo positivo de la fuente de potencial (una pila, por ejemplo).
El movimiento de los electrones de valencia induce un vacío en la estructura molecular, lo cual se traduce en un efecto similar al que produciría una carga positiva en el sistema, por lo que se consideran como portadores de carga positiva.
Entonces, se produce un efecto inverso, ya que algunos electrones pueden caer desde la banda de conducción hasta la capa de valencia liberando energía en el proceso, lo cual recibe el nombre de recombinación.
Semiconductores extrínsecos:
Se conforman al incluir impurezas dentro de los conductores intrínsecos; es decir, mediante la incorporación de elementos trivalentes o pentavalentes.
Este proceso se conoce como dopaje y tiene como finalidad aumentar la conductividad de los materiales, para mejorar las propiedades físicas y eléctricas de estos.
Al sustituir un átomo de semiconductor intrínseco por un átomo de otro componente se pueden obtener dos tipos de semiconductores extrínsecos, los cuales se detallan a continuación.
Semiconductor tipo P
En este caso, la impureza es un elemento semiconductor trivalente; es decir, con tres (3) electrones en su capa de valencia.
Los elementos intrusos dentro de la estructura reciben el nombre de elementos dopantes. Ejemplos de estos elementos para los semiconductores tipo P son el boro (B), el galio (Ga) o el indio (In).
Al carecer de un electrón de valencia para formar los cuatro enlaces covalentes de un semiconductor intrínseco, el semiconductor tipo P tiene un vacío en el enlace faltante.
Semiconductor tipo N
El elemento intruso en la configuración viene dado por elementos pentavalentes; es decir, aquellos que cuentan con cinco (5) electrones en la banda de valencia.
En este caso, las impurezas que son incorporadas al semiconductor intrínseco son elementos como el fósforo (P), el antimonio (Sb) o el arsénico (As).
Los dopantes tienen un electrón de valencia adicional que, al no tener un enlace covalente al cual unirse, queda libre automáticamente para desplazarse a través de la red cristalina.
Lo anterior hace propicio el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina a través de ese hueco portador de carga positiva.
Debido a la carga positiva del hueco del enlace, este tipo de conductores se denomina con la letra “P” y, en consecuencia, se reconocen como aceptadores de electrones.
El flujo de electrones por los huecos del enlace produce una corriente eléctrica que circula en sentido contrario a la corriente derivada de los electrones libres.
Aquí, la corriente eléctrica circula a través del material gracias al excedente de electrones libres proporcionado por el dopante. Por ende, los semiconductores tipo N son considerados donadores de electrones.
- Transistor de unión bipolar.
Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BiCMOS.
Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:
- Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga.
- Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
- Colector, de extensión mucho mayor.
La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, porque es muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad.
Estructura.
Un transistor de unión bipolar consiste en tres regiones semiconductoras dopadas: la región del emisor, la región de la base y la región del colector. Estas regiones son, respectivamente, tipo P, tipo N y tipo P en un PNP, y tipo N, tipo P, y tipo N en un transistor NPN. Cada región del semiconductor está conectada a un terminal, denominado emisor (E), base (B) o colector (C), según corresponda.
La base está físicamente localizada entre el emisor y el colector y está compuesta de material semiconductor ligeramente dopado y de alta resistividad. El colector rodea la región del emisor, haciendo casi imposible para los electrones inyectados en la región de la base escapar de ser colectados, lo que hace que el valor resultante de α se acerque mucho hacia la unidad, y por eso, otorgarle al transistor una gran β.
El transistor de unión bipolar, a diferencia de otros transistores, no es usualmente un dispositivo simétrico. Esto significa que intercambiando el colector y el emisor hacen que el transistor deje de funcionar en modo activo y comience a funcionar en modo inverso. Debido a que la estructura interna del transistor está usualmente optimizada para funcionar en modo activo, intercambiar el colector con el emisor hacen que los valores de α y β en modo inverso sean mucho más pequeños que los que se podrían obtener en modo activo; muchas veces el valor de α en modo inverso es menor a 0.5. La falta de simetría es principalmente debido a las tasas de dopaje entre el emisor y el colector. El emisor está altamente dopado, mientras que el colector está ligeramente dopado, permitiendo que pueda ser aplicada una gran tensión de reversa en la unión colector-base antes de que esta colapse. La unión colector-base está polarizada en inversa durante la operación normal. La razón por la cual el emisor está altamente dopado es para aumentar la eficiencia de inyección de portadores del emisor: la tasa de portadores inyectados por el emisor en relación con aquellos inyectados por la base. Para una gran ganancia de corriente, la mayoría de los portadores inyectados en la unión base-emisor deben provenir del emisor.
Transistor de efecto de campo:
Los transistores más conocidos son los llamados bipolares (NPN y PNP), llamados así porque la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante baja.
existen unos dispositivos que eliminan este inconveniente en particular y que pertenece a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de cargas, y por tanto, son unipolares.
Se llama transistor de efecto campo.
Un transistor de efecto campo (FET) típico está formado por una barrita de material p ó n, llamada canal, rodeada en parte de su longitud por un collar del otro tipo de material que forma con el canal una unión p-n.
Con los transistores bipolares observábamos como una pequeña corriente en la base de los mismos se controlaba una corriente de colector mayor. Los Transistores de Efecto de Campo son dispositivos en los que la corriente se controla mediante tensión. Cuando funcionan como amplificador suministran una corriente de salida que es proporcional a la tensión aplicada a la entrada. Características generales:
- Por el terminal de control no se absorbe corriente.
- Una señal muy débil puede controlar el componente.
- La tensión de control se emplea para crear un campo eléctrico.
Se empezaron a construir en la década de los 60. Existen dos tipos de transistores de efecto de campo los JFET (transistor de efecto de campo de unión) y los MOSFET. Los transistores MOS respecto de los bipolares ocupan menos espacio por lo que su aplicación más frecuente la encontramos en los circuitos integrados. Es un componente de tres terminales que se denominan: Puerta (G, Gate), Fuente (S, Source), y Drenaje (D, Drain). Según su construcción pueden ser de canal P o de canal N. Sus símbolos son los siguientes:
Símbolo de un FET de canal N.
Tiristores:
El tiristor (gr.: puerta) es una familia de componentes electrónicos constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación.1 Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales (SCR) o bidireccionales (Triac o DIAC). Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica.
Para los SCR el dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo P-N-P-N entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos P-N-P y N-P-N, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está a la unión J2 (unión NP).
Algunas fuentes definen como sinónimos al tiristor y al rectificador controlado de silicio (SCR);2 Aunque en realidad la forma correcta es clasificar al SCR como un tipo de tiristor, a la par que los dispositivos DIAC y TRIAC.
Este elemento fue desarrollado por ingenieros de General Electric en los años 1960. Aunque un origen más remoto de este dispositivo lo encontramos en el SCR creado por William Shockley (premio Nobel de física en 1956) en 1950, el cual fue defendido y desarrollado en los laboratorios Bell en 1956. Gordon Hall lideró el desarrollo en Morgan Stanley para su posterior comercialización por parte de Frank W. "Bill" Gutzwiller, de General Electric.
Formas de activar un tiristor
Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor.
Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se establece este método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse.
Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie la activación con retro alimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de destruirlo.
Elevación del voltaje ánodo-cátodo: Si la velocidad en la elevación de este voltaje es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo.
prinsipales variantes de tristores:
- Rectificador controlado de silicio (SCR)
- Tiristor GTO
- Diac
- Triac
- Foto-SCR
- Interruptor controlado por puerta
- Interruptor controlado de silicio
- MCT
- FET-CTH
- SITH
- RTC
- Fototiristor (lascr)
Tipos basicos de uniones PNP, NPN.
Los transistores de tipo NPN aquellos que tienen más N en su nombre, esto quiere decir que utilizan “partículas” subatómicas de signo Negativo para transportar la corriente.
Y que los de tipo PNP, es decir, aquellos con más P en su nombre, por lo que utilizan “partículas” subatómicas de signo Positivo para transportar la corriente.
Esta diferencia es importante porque la forma de conectar estos transistores depende de si son de tipo NPN o PNP, debido a que los signos de voltaje de entrada difieren dependiendo del tipo de transistor. Otra diferencia es el material con el que están elaborados ya que generalmente los PNP se construyen con Germanio mientras los NPN mas comúnmente son construidos con Silicio.
Cuando te encuentras realizando algún circuito que requiera un transistor y no tengas a la mano su hoja de datos, puedes saber si este es NPN o PNP mediante un sencillo circuito:
Como ves se trata de un circuito muy simple y que te puede sacar de apuros en cualquier momento, para más detalles, consulta la fuente.
Características de los semiconductores intrínsecos y intrínsecos, para las diferentes uniones.
Semiconductores intrínsecos:
Un material semiconductor hecho sólo de un único tipo de átomo, se denomina semiconductor intrínseco.
Los más empleados históricamente son el germanio (Ge) y el silicio (Si); siendo éste último el más empleado (por ser mucho más abundante y poder trabajar a temperaturas mayores que el germanio).
Cada átomo de un semiconductor tiene 4 electrones en su órbita externa (electrones de valencia), que comparte con los átomos adyacentes formando 4 enlaces covalentes. De esta manera cada átomo posee 8 electrones en su capa más externa., formando una red cristalina, en la que la unión entre los electrones y sus átomos es muy fuerte. Por consiguiente, en dicha red, los electrones no se desplazan fácilmente, y el material en circunstancias normales se comporta como un aislante.
Sin embargo, al aumentar la temperatura, los electrones ganan energía, por lo que algunos pueden separarse del enlace e intervenir en la conducción eléctrica. De esta manera, la resistividad de un semiconductor disminuye con la temperatura (su conductividad aumenta). A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, se les somete al potencial eléctrico, como por ejemplo de una pila, se dirigen al polo positivo. Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, cuyo efecto es similar al que provocaría una carga positiva.
Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. La conducción eléctrica a través de un semiconductor es el resultado del movimiento de electrones (de carga negativa) y de los huecos (cargas positivas) en direcciones opuestas al conectarse a un generador. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas: una debida al movimiento de los electrones libres de la estructura cristalina, y otra debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos, originando una corriente de huecos. Los electrones libres se dirigen hacia el polo positivo de la pila (cátodo), mientras que los huecos pueden considerarse como portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila, llamado ánodo (hay que considerar que por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica; los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor).
Semiconductores extrínsecos
Para mejorar las propiedades de los semiconductores, se les somete a un proceso de impurificación (llamado dopaje), consistente en introducir átomos de otros elementos con el fin de aumentar su conductividad. El semiconductor obtenido se denominará semiconductor extrínseco. Según la impureza (llamada dopante) distinguimos:
- Semiconductor tipo P : se emplean elementos trivalentes (3 electrones de valencia) como el Boro (B), Indio (In) o Galio (Ga) como dopantes. Puesto que no aportan los 4 electrones necesarios para establecer los 4 enlaces covalentes, en la red cristalina éstos átomos presentarán un defecto de electrones (para formar los 4 enlaces covalentes). De esa manera se originan huecos que aceptan el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina. Así, al material tipo P también se le denomina donador de huecos (o aceptador de electrones).
- Semiconductor tipo N: Se emplean como impurezas elementos pentavalentes (con 5 electrones de valencia) como el Fósforo (P), el Arsénico (As) o el Antimonio (Sb). El donante aporta electrones en exceso, los cuales al no encontrarse enlazados, se moverán fácilmente por la red cristalina aumentando su conductividad. De ese modo, el material tipo N se denomina también donador de electrones.
REFLEXION FINAL DEL TEMA:
también pude observar que los materiales semiconductores intrínsecos son un semiconductor puro. y que a temperatura ambiente se comporta como un aislante porque solo tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la energía térmica y tambien explica sobre lo que son los Semiconductores extrínsecos ya que estos Se conforman al incluir impurezas dentro de los conductores intrínsecos; es decir, mediante la incorporación de elementos trivalentes o pentavalentes.
Este proceso se conoce como dopaje y tiene como finalidad aumentar la conductividad de los materiales, para mejorar las propiedades físicas y eléctricas de estos.
REFERENCIAS:
