Semiconductores.
La teoría electrónica sirve de base para esta lección en la cual comenzaremos a encarar el estudio de los semiconductores, pilar del transistor y de los circuitos integrados. Los cuerpos, como ya sabes, se pueden clasificar en conductores, y aislantes (desde el punto de vista eléctrico).El semiconductor es un cuerpo de características aislante que se convierte en conductor cuando se mezcla con otros cuerpos en cantidad ínfima. Cada sustancia posee su propio átomo particular (una sustancia no indica que tenga un solo átomo, sino que solo tiene ese tipo de átomos en esa sustancia o cuerpo); con sus sub partículas positivas (protones) y las negativas (electrones). Como debes de saber, el estado neutro del átomo, y por tanto del cuerpo, se consigue cuando el número de protones es igual al número de electrones (las cargas positivas neutralizan las cargas negativas). Si te pierdes repasa el tema 1 y 2 del módulo de electronica para newbies. Cuando este cuerpo en estado neutro, pierde o gana electrones, entonces se desequilibra eléctricamente.
Electrónica.
Alrededor del núcleo atómico hay una serie de orbitas identificadas con las letras del alfabeto. La primera orbita es K; la siguiente, L; M; N; etc. Y cada orbita tiene la capacidad de acumular un número máximo de electrones. Aunque las razones de esto que voy a describir básicamente, es necesario que lo estudies ahora para comprender el estado de los semiconductores, vital para la comprensión de la electrónica.
A partir de la segunda orbita, independientemente del número de electrones que pueda almacenar cada orbita, tomaremos como referencia para considerar que una órbita está llena que tenga una cantidad de 8 electrones, aunque en esa orbita quepan 16, 32 ó 64 electrones para estar completa (aunque te parezca absurdo, ya lo entenderás).
La órbita más alejada del núcleo atómico que tenga algún electrón (esté o no completa), recibe el nombre de banda de valencia.
Los elementos simples, con 8 electrones en la banda de valencia, son químicamente estables (que no eléctricamente estables); no hay que confundir. Pero los elementos que no completan la banda de valencia son químicamente inestables, pero con 3 diferencias:
Cuando tienen menos de la mitad para llenar la banda de valencia
Cuando tienen la más de la mitad
Cuando tienen justo la mitad
En el primer caso, el átomo cede estos electrones fácilmente que se encuentran en dicha capa para así obtener la estabilidad química en su órbita anterior. En el segundo, el átomo atrae electrones para completar su banda de valencia hasta completar los 8 electrones y completar la estabilidad. En el tercero, le es indiferente perder o ganar electrones.
Semiconductor
Los cuerpos que tienen un solo electrón en la banda de valencia son muy buenos conductores de la electricidad. El Cobre es uno de ellos. Hay otros elementos como por ejemplo el Criptón que tiene todas sus orbitas llenas así como su banda de valencia, lo cual le estabiliza químicamente; pero en este tema y en este curso, estudiaremos los semiconductores, y esta palabra va ligada a los elementos de silicio y germanio, en los cuales nos centraremos a pesar de que existen otros semiconductores naturales.
El Germanio y el Silicio, en su estado natural, se comportan como aisladores. El Silicio posee 14 electrones teniendo las dos primeras orbitas completas, y cuatro electrones en la última capa. Tanto el Germanio como el Silicio, poseen sus átomos agrupados en una disposición regular que constituye la llamada Estructura Cristalina.
La célula elemental de esta estructura se representa simbólicamente como una red plana, que muestra cómo se combinan los cuatro electrones más externos de cada átomo vecino para que cada capa exterior quede completa con ocho electrones.
Semiconductor intrínseco
Cuando el elemento es puro, todos los electrones periféricos se encuentran incluidos en el enlace cristalino. Si el elemento posee esta estructura cristalina, se llama intrínseco y se va a comportar como un perfecto aislante a bajas temperaturas. Si se aplica energía, como calor, se rompe los vínculos entre los electrones periféricos, lo que les permite escaparse de la red cristalina, originándose internamente un desplazamiento de cargas.
En la figura siguiente, se representan varios átomos. Nos fijamos en A, B, C y suponemos que se a roto el equilibrio en el átomo C, desvinculándose el electrón de dicho átomo, dejando un hueco 3. El átomo C, queda con carga positiva por lo que ejerce una fuerza sobre los electrones del átomo B, hasta que logra arrancar un electrón de dicho átomo, con lo cual, ese átomo B, tiene ahora un hueco, mientras que el átomo C lo ha repuesto. Pero B, repite el proceso con el átomo A, con lo que le roba un electrón y ese átomo queda cargado positivamente y tiene un hueco, mientras que el átomo B lo ha repuesto.
Es indudable que la corriente interna está originada por dos tipos de corpúsculos, los electrones y los huecos. Los huecos van en sentido opuesto a la corriente de los electrones. Ten presente este detalle: Ambas corrientes no se neutralizan entre sí, sino que una es la causa de la otra, y son de diferente naturaleza. La corriente directa se dirige hacia el polo positivo desde la fuente de alimentación, y la corriente inversa, hacia el polo negativo.
Semiconductor extrínseco
Hemos definido al semiconductor como aislante, al cual al aplicarle energía se hace conductor. En el caso del Silicio puro, todos los electrones periféricos están vinculados, pero si obtenemos un Silicio que tenga de forma natural electrones libres por su interior, o huecos, se va a convertir en un conductor. Eso se logra inyectando en la sustancia cristalina del Silicio átomos de otras sustancias, llamadas impurezas, en una porción muy pequeña, del orden de un átomo de impureza por diez millones de átomos de Silicio. Lo mismo se aplica al Germanio que tiene cuatro electrones en su orbita de valencia; se le dice treta Valente, pero existen otros elementos que son pentavalente (poseen 5 átomos en su órbita de valencia), y trivalentes (con tres átomos de valencia).
Estas sustancias, pentavalentes y trivalentes, son impurezas que se inyectan al Silicio y al Germanio para hacerlos conductores. En el caso de que sea una mezcla de Silicio, con un elemento pentavalente, el resultado será que existan electrones libres. Dichos electrones se van a desplazar por la capa de valencia de los demás elementos, atraídos y rechazados por la carga electrostática que generan sus cargas. Es decir, siempre hay un desplazamiento interno de electrones.
En el caso de que se mezclen impurezas de tipo trivalentes, éstas arrancarán electrones de los átomos semiconductores, desestabilizando su carga eléctrica y fomentando que exista un desplazamiento de electrones, pero dejando huecos entre su desplazamiento. Se puede decir que los huecos son los que se desplazan.
Semiconductor tipo P y N
El semiconductor que ha sido dopado con impurezas pentavalentes, se denomina semiconductor tipo N, en donde N hace referencia a su exceso de electrones. En este semiconductor las cargas que prevalecen son las negativas (al haber exceso de electrones). A estas cargas se las denomina "Portadores mayoritarios", ya que hay mas electrones que huecos; y a los huecos se les denominan "Portadores minoritarios" al ser las cargas mínimas presentes en el semiconductor.
El otro tipo de semiconductor, se denomina tipo P, y P representa a un número elevado de cargas positivas o huecos, los cuales representan ahora los "Portadores mayoritarios", siendo los electrones los minoritarios.
Influencia de diferentes fenómenos físicos
Cuando hablamos de fenómenos físicos, nos referimos a fenómenos eléctricos o derivados. Si cogemos un semiconductor tipo P y lo conectamos a una fuente de tensión positiva, los huecos que contenga el semiconductor van a ser rechazados por la igualdad de carga, hacia el terminal negativo (cátodo) de la fuente de alimentación, tal y como se muestra en la imagen.
Como puedes observar el cristal semiconductor tipo P está conectado a una fuente de alimentación positiva. En el mismo momento que se conecta dicha tensión, los huecos serán repulsados por el ánodo de la batería de alimentación debido a la repulsión electrostática de las cargas de igual signo ( repasa 2ª unidad del módulo 1). Los electrones libres, que recuerda que son los portadores minoritarios, son atraídos hacia el ánodo de la batería y repulsados por el cátodo, donde están llegando los huecos. El efecto a tener en cuanta en este caso es que los huecos que van llegando, se combinan con los electrones libres que salen repulsados. Aún así existe siempre una circulación de corriente que va de derecha a izquierda ( de negativo a positivo ), y que se considera corriente de fuga, pero en este caso como está compuesta de los electrones libres que no se combinan, y que son de número reducido, se considera despreciable ( del orden de microamperios ).
Pero también, se puede conectar un semiconductor tipo N a una fuente de alimentación positiva:
El cristal semiconductor tipo N se conecta a una fuente de alimentación positiva, tal como se representa en la figura anterior. Los electrones libres dentro del cristal se mueven hacia la izquierda ( hacia el ánodo ), mientras que los huecos, se mueven a la derecha ( al cátodo ). Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del cristal, entra en el hueco y se combina para ganar la estabilidad. Existe una pequeña corriente de fuga, debida a los huecos y que es inversa al movimiento de cargas generales como son los electrones; esta corriente es tan pequeña que puede despreciarse. Es la producida por los huecos.
Unión PN: diodos.
Como se ha expuesto anteriormente, cada átomo trivalente produce un hueco en un cristal semiconductor. Por esta razón puede representarse un hueco de la siguiente forma:
Cada signo (-) encerrado en un circulo representa un átomo trivalente, y cada signo (+) es un hueco en su orbital de valencia.
De la misma manera, los átomos pentavalentes en un semiconductor tipo N y los huecos se puede representar como de la siguiente forma:
Cada signo (+) encerrado en un circulo representa un átomo pentavalente, y cada signo (-) es el electrón con el que contribuye al semiconductor.
Si unimos 2 cristales tipo P con tipo N, se va a producir una serie de fenómenos que cambiarán la estructura de los cristales, formándose un nuevo cristal llamado Diodo. El diodo semiconductor es un cristal resultante de la unión de un semiconductor tipo P con otro cristal semiconductor tipo N.
En el momento en que se funden los cristales (mediante la técnica de galvanización ), al enfriarse el cristal, se crea una barrera de potencial entre los dos cristales P y N. Esta barrera de potencial tiene su efecto en el intercambio de cargas momentáneo de un cristal a otro. Explicaré este efecto.
Zona polar.
Debido a la repulsión mutua, los electrones libres en el lado N, tienden a dispersarse en cualquier dirección. Algunos electrones libres se difunden atraídos por el hueco cercano a la unión con el lado P. Cuando un electrón libre entra en el lado P, se convierte en un portador minoritario. Con tantos huecos, enseguida entra en uno de ellos. Cuando esto sucede el hueco desaparece, y el electrón libre se convierte en un electrón de valencia. Cada vez que un electrón se difunde en la parte P, se crea un par de iones (un ión positivo y un ión negativo), uno en cada lado P y N. Este par de iones se llaman Dipolos.
Cada vez que un electrón abandona el lado N, deja un átomo pentavalente al que le hace falta una carga negativa; este átomo se convierte en un ión positivo, con lo cual se convierte en un portador minoritario, y enseguida un electrón de alrededor se encarga de neutralizarlo. A la vez que se incrementan los dipolos en el centro de la barrera de potencial, aumenta el campo electrostático de la barrera, con lo cual cada vez les cuesta más pasar a los electrones del lado N al lado P, ya que al crearse más dipolos, estos actúan repulsan los huecos y los electrones de ambos lados:
En la figura de la izquierda puedes ver como los iones de ambos lados se forman para crear dipolos; a medida que el número de dipolos se haga mayor, la repulsión de los electrones del lado N por el ión negativo del lado P es mayor, tanto como la repulsión de los iones positivos del lado N hacia los huecos del lado P. Mientras que sigan los electrones venciendo las fuerzas de repulsión de los dipolos, seguirán formando mas iones, hasta que llegue un momento en que no se puedan forman mas dipolos porque la fuerza de repulsión de los mismos impide su formación. Este estado crea una barrera de potencial (0,7V para semiconductores de Silicio y 0,3V para semiconductores de Germanio), que impide que ambas cargas de los lados se neutralicen y, por así decirlo, aísla un lado de otro (figura de la izquierda).
El diodo y la corriente eléctrica
Lo que has visto hasta ahora del diodo era sin aplicarle diferencia de potencial. Veremos el comportamiento del diodo cuando se le aplica una diferencia de potencial.
Cuando se conecta un cristal tipo P al positivo de alimentación y el cristal tipo N al negativo, se suele llamar polarización directa. Este tipo de conexión, la fuerza electromotriz de la batería empuja a los huecos y a los electrones libres de los cristales P y N hacia la barrera de potencial. Si la tensión de la batería fuese menor que la barrera de potencial, los electrones no tendrían suficiente energía para atravesar la zona polar; pero cuando la energía de la batería es superior al de la barrera de potencial (zona polar), los electrones tienen suficiente energía como para pasar de uno cristal a otro, siguiendo el camino de derecha a izquierda.
El camino que sigue un electrón es el siguiente: sale del negativo de la batería y repulsado, llega al extremo derecho del cristal N. cuando la tensión de la batería supera los 0,7 voltios ( que es la tensión de ruptura de la zona polar ), el electrón tiene la suficiente energía para pasar dicha zona. Al llegar a la zona P, se recombina con un hueco, y gracias a la atracción del positivo de la batería, se desplaza a la izquierda hasta llegar a la misma.
Cuando se conecta un cristal tipo P al negativo de alimentación y el cristal N al positivo, se dice que el diodo está polarizado inversamente. El efecto que produce es que no conduce la corriente eléctrica, ya que aumenta la barrera de potencial y produce la generación de dipolos. El terminal positivo de la batería atrae los electrones y el terminal negativo atrae los huecos; por ello, los electrones y huecos libres se alejan de la unión; como resultado, la zona polar se ensancha. ¿Por qué?, la explicación es que cuando los huecos y los electrones se alejan de la zona polar, se crean nuevos iones que aumentan la diferencia de potencial de la zona polar. La energía máxima que puede alcanzar es igual a la tensión aplicada por la fuente de alimentación.
En este estado, la corriente por el interior del diodo se ha parado. Pero eso no significa que exista una pequeña corriente llamada de fuga. Esta corriente es la que produce por efecto térmico. El calor libera electrones, y crea huecos cerca de la unión. La zona polar empuja al electrón hacia la derecha, provocando que un electrón deje el lado derecho del cristal. El hueco, por otro lado, es empujado hacia la izquierda y ocasiona que un electrón entre por el lado izquierdo y se recombine por un hueco. Como la energía térmica crea constantemente pares de electrones-huecos, se producirá continuamente una pequeña corriente en el circuito externo.
Esta corriente se dice corriente inversa y está originada por los portadores minoritarios. Esta corriente inversa está derivada de los efectos térmicos de la polarización (ya sea inversa o directa), y no va a ser mayor cuanto mayor polarizado esté el diodo.
Estos efectos del diodo se suelen utilizar en electrónica, que como verás tienen muchas utilidades en esta rama. El símbolo del diodo es el siguiente:
Efecto Zener
En la polarización inversa, el diodo tiene una gran resistencia al paso de la corriente eléctrica. Pero si se sigue aumentando la tensión inversa, la corriente de fuga aumenta débilmente, hasta un valor en el cual empiezan a romperse las ligaduras atómicas, debido al aumento de la intensidad del campo eléctrico desarrolladas por la zona polar, y el de la batería que coinciden y se suman. En este momento comienza el efecto avalancha, el cual es un aumento de la corriente inversa rápidamente. Si no se limita la corriente inversa con una resistencia externa, el diodo se destruirá.
En temas siguientes hablaremos en más detalle sobre los diodos zener y su funcionamiento.
Rectificación de la corriente
Este apartado es muy importante, ya que es lo que se utiliza para filtrar la corriente alterna y convertirla en pulsos continuos. Imaginemos un circuito como el de la figura:
Cuando en el punto A, el semiciclo de la corriente alterna es positivo, el diodo se polariza inversamente, con lo cual aumenta la zona polar y el diodo no conduce.
Cuando se invierte la polaridad, el diodo empieza a conducir en el momento que alcance la tensión de ruptura. Esta tensión está establecida en semiconductores de silicio en 0,7 voltios y 0,3 voltios en semiconductores de germanio. Por tanto, cuando en A el semiciclo es negativo, el diodo se polariza directamente, por lo que conduce durante este semiciclo.
El efecto que hemos obtenido es el que durante un semiciclo, no conduce la electricidad y cuando se invierte el semiciclo, conduce la electricidad. Como la corriente alterna de una fuente es constante, el tiempo de conducción es elevado, y como rectifica un semiciclo, y otro no, la forma de rectificación es por pulsos que además tiene componente negativa. Si se invierte el sentido del diodo, la corriente rectificada será los pulsos positivos.