Primera Guía de semiconductores

INTRODUCCIÓN

Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor, considerados en orden creciente

Los semiconductores más conocidos son el silicio (Si) y el germanio (Ge). Debido a que, como veremos más adelante, el comportamiento del silicio es más estable que el germanio frente a todas las perturbaciones exteriores que peden variar su respuesta normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más utilizado en la fabricación de los componentes electrónicos de estado sólido. A él nos referiremos normalmente, teniendo en cuenta que el proceso del germanio es absolutamente similar.

Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo, como electrones en las órbitas que le rodean. (En el caso del silicio este número es de 14). El interés del semiconductor se centra en su capacidad de dar lugar a la aparición de una corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. Como es de todos conocidos, un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos. Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas exteriores. Estos electrones pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres al inyectarles una pequeña energía. En estos recaerá nuestra atención y es así que en vez de utilizar el modelo completo del átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación simplificada (figura 2) donde se resalta la zona de nuestro interés.

La zona sombreada de la figura 2 representa de una manera simplificada a la zona sombreada de la figura 1

Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser liberados de la fuerza de atracción del núcleo son cuatro

SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO

Cuando el silicio se encuentra formado por átomos del tipo explicado en el apartado anterior, se dice que se encuentra en estado puro o más usualmente que es un semiconductor intrínseco

Una barra de silicio puro está formada por un conjunto de átomos en lazados unos con otros según una determinada estructura geométrica que se conoce como red cristalina

Si en estas condiciones inyectamos energía desde el exterior, algunos de esos electrones de los órbitas externas dejarán de estar enlazados y podrán moverse. Lógicamente si un electrón  se desprende del átomo, este ya no está completo, decimos que está cargado positivamente, pues tiene una carga negativa menos, o que ha aparecido un hueco. Asociamos entonces el hueco a una carga positiva o al sitio que ocupaba el electrón.

El átomo siempre tendrá la tendencia  a estar en su estado normal, con todas sus cargas, por lo tanto en nuestro caso, intentará atraer un electrón de otro átomo para rellenar el hueco que tiene.

Toda inyección de energía exterior produce pues un proceso continuo que podemos concretar en dos puntos:

Electrones que se quedan libres y se desplazan de un átomo a otro a lo largo de la barra del material semiconductor de silicio.

Aparición y desaparición de huecos en los diversos átomos del semiconductor.

Queda así claro que el único movimiento real existente dentro de un semiconductore el de electrones. Lo que sucede es que al aparecer y desaparecer huecos, "cargas positivas", en puntos diferentes del semiconductor, parece que estos se mueven dando lugar a una corriente de cargas positivas. Este hecho, movimiento de huecos, es absolutamente falso,. Los huecos no se mueven, sólo parece que lo hacen.

Ahora bien, para facilitar el estudio de los semiconductores hablaremos de corriente de huecos (cargas positivas), pues nos resulta más cómodo y los resultados obtenidos son los mismos que los reales.

SEMICONDUCTOR DOPADO

Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de la pila intentará atraer los electrones y el negativo los huecos favoreciendo así la aparición de una corriente a través del circuito

Sentido del movimiento de un electrón y un hueco en el silicio

Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos los electrones que podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar el valor de dicha corriente tenemos dos posibilidades:

Aplicar una tensión de valor superior Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exterior

La primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el valor de la tensión aplicada, la corriente que aparece no es de suficiente valor. La solución elegida es la segunda.

En este segundo caso se dice que el semiconductor está "dopado".

El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores.

Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

SEMICONDUCTOR TIPO N

Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí)....

Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese que cada átomo comparte cada uno de sus electrones con otros cuatro átomos

.... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones en su capa exterior) por un átomo de otro elemento que contenga cinco electrones en su capa exterior, resulta que cuatro de esos electrones sirven para enlazarse con el resto de los átomos de la red y el quinto queda libre.

Semiconductor dopado tipo N

A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le denomina "Silicio tipo N"

En esta situación hay mayor número de electrones que de huecos. Por ello a estos últimos se les denomina "portadores minoritarios" y "portadores mayoritarios" a los electrones

Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso de dopado son el arsénico, el antimonio y el fósforo

Está claro que si a un semiconductor dopado se le aplica tensión en sus Bornes, las posibilidades de que aparezca una corriente en el circuito son mayores a las del caso de la aplicación de la misma tensión sobre un semiconductor intrínseco o puro.

SEMICONDUCTOR TIPO P

Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí)....

Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese que cada átomo comparte cada uno de sus electrones con otros cuatro átomos

.... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones en su capa exterior) por un átomo de otro elemento que contenga tres electrones en su capa exterior, resulta que estos tres electrones llenarán los huecos que dejaron los electrones del átomo de silicio, pero como son cuatro, quedará un hueco por ocupar. Osea que ahora la sustitución de un átomo por otros provoca la aparición de huecos en el cristal de silicio. Por tanto ahora los "portadores mayoritarios" serán los huecos y los electrones los portadores minoritarios.

A esta red de silicio dopada con esta clase de impurezas se le denomina "silicio tipo P"

Semiconductor dopado tipo P semiconductor dopado tipo N

3.0. TIPO N Y TIPO P

Cuando al dopar introducimos átomos con tres electrones de valencia en un elemento de átomos con cuatro estamos formando un semiconductor tipo P, viniendo su nombre del exceso de carga aparentemente positiva (porque los átomos siguen siendo neutros, debido a que tienen igual número de electrones que de protones) que tienen estos elementos. Estos átomos "extraños" que hemos añadido se recombinan con el resto pero nos queda un hueco libre que produce atracción sobre los electrones que circulan por nuestro elemento. También se produce una circulación de estos huecos colaborando en la corriente.

Sin embargo, si los átomos añadidos tienen cinco electrones en su última capa el semiconductor se denomina de tipo N, por ser potencialmente más negativo que uno sin dopar. En este tipo de materiales tenemos un quinto electrón que no se recombina con los demás y que, por tanto, está libre y vaga por el elemento produciendo corriente. Para hacerse una idea de las cantidades que entran en juego en esto del dopaje se podría decir que se introduce un átomo extraño por cada doscientos millones de átomos del semiconductor.

Hasta ahora hemos descrito la corriente eléctrica como el paso de electrones de un lado a otro pero ha llegado el momento de aumentar este concepto. Como hemos visto la aparición de un hueco produce el movimiento de un electrón hacia él dejando de nuevo un hueco al que irá otro electrón. Este movimiento puede verse desde dos puntos de vista. El primero es el del electrón moviéndose de derecha a izquierda, el segundo sería el del hueco desplazándose de izquierda a derecha. Pues bien, no es correcto ni uno ni otro, sino los dos a la vez. Hay que pensar que tan importante es un movimiento como el otro, y que la corriente eléctrica hemos de concebirla como la suma de los dos. Como veremos, en unos casos será más importante, cuantitativamente hablando, la corriente creada por el movimiento de los electrones y, sin embargo, en otros lo será la creada por los huecos. Se ha adoptado por convenio que la corriente eléctrica lleva el sentido de los huecos, es decir, cuando seguimos el sentido de los electrones la corriente es negativa y positiva en caso contrario.

Debemos dividir a los semiconductores en dos grupos: intrínsecos y extrínsecos. Los semiconductores extrínsecos son aquellos a los que se les ha dopado de alguna forma, produciendo así un semiconductor tipo P o del tipo N. Y los intrínsecos son los que no han sufrido ninguna clase de dopaje

Puesto que el paso de electrones a través de cualquier material siempre produce calor nos va a ser imposible separar los efectos producidos por el dopaje y el aumento de temperatura en un semiconductor; así que ambos efectos se suman y la circulación de electrones y huecos va a ser mayor.

3.1. Portadores mayoritarios y minoritarios

No está completa nuestra explicación sin comentar brevemente lo que se conoce con el nombre de portadores mayoritarios y minoritarios.

Cuando existe corriente dentro de un material hemos visto que es debida a electrones moviéndose hacia un lado y a huecos desplazándose en sentido contrario. Pero las cantidades de unos y otros no tienen por qué ser iguales ni parecidas, esto depende del material por el que circule la corriente. Llamamos portadores mayoritarios a quien contribuya al paso de la corriente en mayor medida y, obviamente, los minoritarios serán aquellos que lo hagan en menor medida.

Si tenemos un material tipo N por el que circula corriente, los portadores mayoritarios serán los electrones que le sobran por el dopaje junto con los electrones que saltan debido al calor y los portadores minoritarios serán los huecos producidos al marcharse los electrones de su sitio. Por el contrario, en un semiconductor tipo P los portadores mayoritarios serán los huecos que tienen en exceso por el dopaje más los huecos que se producen por efecto del calor, mientras que los portadores minoritarios serán los electrones que han saltado de su sitio.

3.2. Unión P-N

Llegados a este punto, cualquiera con un poco de curiosidad se habrá hecho la siguiente pregunta: ¿Qué ocurriría si se juntase un trozo de material tipo P con un trozo de material tipo N? Pues bien, esta pregunta ya se la hizo alguien hace unos cuantos años y dio origen a lo que hoy día se conoce como unión P-N.

De nuevo, como electrónicos que somos, solamente nos interesa algo muy concreto de esta unión, lo cual no es otra cosa que su comportamiento de cara al paso de corriente eléctrica.

Supongamos, primeramente, que hemos unido por las buenas un trozo de material tipo P con uno tipo N; ¿Qué ocurre?, pues que los electrones que le sobran al material tipo N se acomodan en los huecos que le sobran al material tipo P. Pero, ¡ojo!, no todos los de un bando se pasan al otro, solamente lo hacen los que están medianamente cerca de la frontera que los separa. A esto se le llama recombinación

Y ¿Por qué solo unos pocos? Pues porque el hecho de que se vayan los electrones con los huecos es debido a la atracción mutua que existe entre ellos ya que poseen cargas opuestas; sin embargo, una vez que se han pasado cierta cantidad de electrones al otro bando comienza a haber una concentración de electrones mayor de lo normal, lo que provoca que estos empiecen a repelerse entre ellos. Por tanto, se llega a un equilibrio al haberse ido los suficientes electrones para apaciguar la atracción hueco-electrón inicial pero no tantos como para llegar a repelerse entre ellos.

Una vez alcanzado este equilibrio se dice que se ha creado una barrera de potencial. Una barrera de potencial es simplemente una oposición a que sigan pasando los electrones y huecos de un lado a otro. Esta situación permanecerá inalterable mientras no hagamos nada externo para modificarla, es decir, compensar el efecto de esa barrera de potencial con otro potencial aportado por nosotros, por ejemplo, conectándolo a una batería.

3.3 Polarización directa e inversa

Existen dos formas de conectar una batería a una unión P-N. Primero conectar el borne positivo de la batería con el material tipo P y el borne negativo con el material tipo N y la otra conectar el borne positivo con el material tipo N y el borne negativo con el tipo P. A la primera de ellas se la denomina polarización directa y a la segunda polarización inversa. Veamos qué ocurre en cada una de ellas. Al polarizar directamente una unión P-N el polo negativo de la batería está inyectando electrones al material N, mientras que el polo positivo recibe electrones del lado P creándose así una corriente eléctrica. Con esta batería hemos conseguido vencer el obstáculo que se había creado debido a la barrera de potencial existente entre ambos materiales. De nuevo los electrones y los huecos pueden pasar libremente a través de la frontera.

Sin embargo, al polarizar inversamente una unión P-N no se crea una corriente en sentido opuesto sino que, curiosamente, no hay corriente alguna. Esto es por que los huecos libres del tipo P se recombinan con los electrones que proceden del polo negativo de la batería, y los electrones libres del tipo N son absorbidos por ésta, alejándose tanto huecos como electrones de la unión, en vez de vencer nuestra barrera de potencial ésta se ha hecho más grande y no existe corriente; aunque, para ser exactos, sí existe una corriente y esta es la producida por los portadores minoritarios, pero es demasiado pequeña e inapreciable.

4.0. EL DIODO

Todo dispositivo semiconductor está formado básicamente por uniones P-N. Los transistores (BJT), FET, MOSFET, etc., son combinaciones de estas uniones. Incluso una unión P-N es por sí sola un dispositivo electrónico ampliamente conocido: el diodo.

Para empezar, vamos a hablar del diodo ideal, es decir, un diodo cuyo comportamiento sería el deseado pero que no es posible alcanzarlo en la realidad. Este tipo de diodos solamente permiten el paso de corriente en un sentido, oponiéndose en el sentido contrario. Esta característica tiene un gran interés en la conmutación ya que de ella se deriva una propiedad ON-OFF (abierto-cerrado), como veremos más adelante.

La diferencia entre un diodo real y un diodo ideal está en que el primero va a permitir la corriente en un sentido pero no libremente sino que ofrece una pequeña resistencia y además, al polarizarse inversamente, no corta la corriente de una manera tajante sino que, como hemos visto en la unión P-N, hay una pequeña corriente en sentido contrario. Si la diferencia de potencial existente entre los extremos del diodo fuese lo suficientemente grande, esta corriente inversa ahora sí empezaría a aumentar de manera considerable. Nos encontramos en la región de funcionamiento llamada zener, la cual es tremendamente destructiva para el diodo. Sin embargo, ciertos diodos están fabricados especialmente para funcionar en esta región y son conocidos como diodos zener.

A) Esta es la gráfica que representa a un diodo ideal. B) Símbolo con el que se representa al diodo dentro de un circuito.

5.0. TIPOS BÁSICOS DE DIODOS.

Diodos rectificadores

Diodos de tratamiento de señal (RF)

Diodos de capacidad variable (varicap)

Diodos Zener

Fotodiodos

Diodos luminiscentes (LED)

5.1 Diodos rectificadores.

Un diodo estándar (rectificador) responde a un esquema interno como este:(A) Terminales, (B) Soporte metálico, (C) Semiconductor, (D) Punta de contacto.

Los diodos que todo aficionado al mundillo electrónico conoce en primer lugar son los de tipo rectificador sencillo. Quizás esto se deba a lo intuitivo de la comprensión de la función rectificadora. Como ya se ha visto anteriormente, una de las principales características prácticas de los diodos es facilitar el paso de la corriente continua en un único sentido (polarización directa). Parece lógico comprender de un plumazo que si hacemos circular a través de un diodo una Corriente Alterna esta sólo lo hará en la mitad de los semiciclos, aquellos que polaricen directamente el diodo, por lo que a la salida del mismo obtendremos una señal de tipo pulsatoria pero continua (si entendemos por tensión o señal continua aquella que no varía su polaridad).

5.2. Diodos de tratamiento de señal (RF).

Los diodos de tratamiento de señal requieren algo más de calidad de fabricación que los típicos rectificadores. Estos diodos están destinados a formar parte de etapas moduladoras, demoduladoras, mezcla y limitación de señales. etc.

Uno de los puntos más críticos en el diodo, a la hora de trabajar con media y alta frecuencia, se centra en la capacidad de unión, la cual se debe a que en la zona de la unión PN se forman dos capas de carga de sentido opuesto que conforman una capacidad real.

En los diodos de RF (Radio-frecuencia) se intenta que dicha capacidad sea reducida a su mínima expresión, lo cual ayudará a que el diodo conserve todas sus "habilidades" rectificadoras, incluso cuando tenga que trabajar en altas frecuencias.

Entre los diodos más preparados para bregar con las altas frecuencias destaca el diodo denominado Schottky. Este diodo fue desarrollado a principio de los setenta por la firma Hewletty deriva de los diodos de punta de contacto y de los de unión PN de los que han heredado el procedimiento de fabricación.

El diodo Schottky está constituido así: (1) Resorte a presión. (2) Contacto de oro. (3) Silicio. (4) Molibdeno vaporizado. (5) Soldadura.

 

5.3. Diodos de capacidad variable (varicap).

La capacidad formada en extremos de la unión PN puede resultar de suma utilidad cuando, al contrario de lo que ocurre con los diodos de RF, se busca precisamente utilizar dicha capacidad en provecho del circuito en el cual está situado el diodo.

El diodo varicap sustituye con gran éxito a los obsoletos condensadores variables.

Al polarizar un diodo de forma directa se observa que, además de las zonas constitutivas de la capacidad buscada, aparece en paralelo con ellas una resistencia de muy bajo valor óhmico, lo que conforma un condensador de elevadas pérdidas. Sin embargo, si polarizamos el mismo en sentido inverso la resistencia paralelo que aparece es de un valor muy alto, lo cual hace que el diodo se pueda comportar como un condensador con muy bajas pérdidas.

Si aumentamos la tensión de polarización inversa las capas de carga del diodo se espacian lo suficiente para que el efecto se asemeje a una disminución de la capacidad del hipotético condensador (similar al efecto producido al distanciar las placas de un condensador estándar).

Por esta razón podemos concluir que los diodos de capacidad variable (conocidos más popularmente como Varicaps varían su capacidad interna al ser alterado el valor de la tensión que los polariza de forma inversa.

La utilización más solicitada para este tipo de diodos suele ser la de sustituir a complejos sistemas mecánicos de condensador variable en etapas de sintonía en todo tipo de equipos de emisión y recepción. Por poner un ejemplo, cuando actuamos en la sintonía de un viejo receptor de radio estamos variando (mecánicamente) el eje del condensador variable que incorpora éste en su etapa de sintonía; pero si, por el contrario, actuamos sobre la ruedecilla o, más comúnmente, sobre el botón (pulsador) de sintonía de nuestro moderno receptor de TV color lo que estamos haciendo es variar la tensión de polarización inversa de un diodo varicap contenido en el módulo sintonizador del equipo

5.4. Diodo zener

Al estudiar los diodos se hace hincapié en la diferencia existente en la gráfica tipo con respecto a lo que es corriente directa e inversa. Si polarizamos inversamente un diodo estándar y aumentamos la tensión llega un momento en que se origina un fuerte paso de corriente que lleva el diodo a su destrucción. Este punto viene dado por la tensión de ruptura del diodo.

Pero podemos conseguir controlar este fenómeno y aprovecharnos de él, de forma que no se origine necesariamente la destrucción del diodo. Todo lo que tenemos que hacer es que este fenómeno se dé dentro de unos márgenes controlables.

El diodo zener se comporta como diodo normal hasta que su polarización inversa alcanza el valor a que ha sido tarado de fábrica.

El diodo zener es capaz de trabajar en la región en la que se da el efecto del mismo nombre cuando las condiciones de polarización así lo determinen y volver a comportarse como un diodo estándar una vez que la polarización retorne a su zona de trabajo habitual.

Resumiendo, el diodo zener se comportará como un diodo normal, salvo que alcance la tensión zener para la que ha sido tarado en fábrica, momento en que dejará pasar a través de él una cantidad ingente de corriente. Este efecto se produce en todo tipo de circuitos reguladores, limitadores y recortadores de tensión. La aplicación zener, sobre todo a fuentes de alimentación, será tratada con profusión algo más adelante.

5.5. Fotodiodos.

Un hecho que también se ha utilizado en provecho de la moderna técnica electrónica es la influencia de la energía luminosa en la ruptura de los enlaces de electrones situados en el seno constitutivo de un diodo.

Los fotodiodos responden de diferente forma en función de la luz que reciben.

Los fotodiodos son diodos es los cuales se ha optimizado el proceso de componentes y forma de fabricación de modo que la influencia luminosa sobre su conducción sea la máxima posible. Esto se logra, por ejemplo, con fotodiodos de silicio en el ámbito de la luz incandescente y con fotodiodos de germanio en zonas de influencia de luz infrarrojo.

 

5 .6. Diodos luminiscentes (LED).

Este tipo de diodos se ha popularizado últimamente y ya puede encontrarse casi en cualquier equipo electrónico que se tilde de moderno. Las formas y, no tanto, los colores se han diversificado a pasos agigantados.

La operativo de un diodo LED se basa en la recombinación de portadores mayoritarios en la capa de barrera cuando se polariza una unión PN en sentido directo. En cada recombinación de un electrón con

un hueco se libera cierta energía. Esta energía, en el caso de determinados semiconductores, se irradia en forma de luz; en otros se hace en forma térmica. Dichas radiaciones son básicamente monocromáticas. Mediante un adecuado dopado del material semiconductor se puede afectar la energía de radiación del diodo,

El nombre de LED se debe a su abreviatura inglesa (Light Emmiting Diode).

Además de los diodos LED existen otros diodos con diferente emisión, en concreto infrarrojo, y que responden a la denominación IRED (Infrared Emmiting Diode).

5.7. Encapsulados y nomenclatura

Existen, claro está, serias divergencias a nivel mundial en cuanto a la nomenclatura que ha de utilizarse a la hora de identificar los diferentes tipos de diodos existentes. Fabricantes europeos, americanos y japoneses no parecen ponerse de acuerdo. Aunque, ciertamente, lo que sí existe es un buen número de recopilaciones de tablas de equivalencias en el argot técnico que intentan identificar tipos europeos, americanos y japoneses de la mejor manera posible. Ante cualquier duda no tendremos más remedio que utilizar estas tablas si no queremos emplear un componente erróneo como sustituto de uno averiado. No son perfectas pero intentan paliar el desaguisado normativo.

Las ilustraciones adjuntas intentan mostrar parte de la normativa europea al respecto. Baste mencionar tan solo que los americanos suelen identificar sus semiconductores con denominaciones que comienzan casi siempre con 1N o 2N correspondiendo, respectivamente, a diodos y transistores.

La nomenclatura utilizada por los diodos zéner se ajusta a la tabla aquí presentada.