2-6. DOPAJEDE UN SEMICONDUCTOR

Una forma de aumentar la conductividad de un semiconductor es medianteel dopaje. El dopaje supone que, deliberadamente, se añaden átomos deimpurezas a un cristal intrínsecopara modificar su conductividad eléctrica.Un semiconductor dopado se llama semiconductor extrínseco.

o Aumento del número de electrones libres

¿Cuál es el proceso de dopaje de un cristal de silicio? El primer paso consis-te en fundir un cristal puro de silicio para romper los enlaces covalentes ycambiar el estado del silicio de sólido a líquido. Con el fin de aumentar elnúmero de electrones libres, se añaden átomos pentavalentes al silicio fundi-do. Los átomos pentavalentes tienen 5 electrones en el orbital de valencia.El arsénico, el antimonio y el fósforo son ejemplos de átomos pentavalentes.Como estos materiales donarán un electrón extra al cristal de silicio se lesconoce como impurezas donadoras.

La Figura 2-8a representa cómo queda el cristal de silicio después deenfriarse y volver a formar su estructura de cristal sólido. En el centro sehalla un átomo pentavalente rodeado por cuatro átomos de silicio. Comoantes, los átomos vecinos comparten un electrón con el átomo central, peroen este caso queda un electrón adicional. Recuérdese que cada átomo penta-valente tiene 5 electrones de valencia. Como únicamente pueden situarseocho electrones en la orbital de valencia, el electrón adicional queda en unorbital mayor. Por tanto, se trata de un electrón libre.

Cada átomo pentavalente, o donante en un cristal de silicio, produce unelectrón libre. Un fabricante controla así la conductividad de un semicon-ductor dopado. Cuantas más impurezas se añadan, mayor será la conductivi-dad. Así, un semiconductor se puede dopar ligera o fuertemente. Un"semi-conductor dopado ligeramente tiene una resistencia alta y uno fuertementedopado tiene una resistencia pequeña.

o Aumento del número de huecos

¿Cómo dopar un cristal de silicio para obtener un exceso de huecos? Larespuesta es utilizando una impureza trivalente; es decir, una impureza cu-yos átomos tengan sólo 3 electrones de valencia, como, por ejemplo, elaluminio, el boro o el galio.

La Figura 2-8b muestra un átomo trivalente en el centro. Está rodeadopor cuatro átomos de silicio, cada uno compartiendo uno de sus electronesde valencia. Como el átomo trivalente tenía al principio sólo 3 electrones devalencia y comparte un electrón con cada uno de sus vecinos, hay sólo 7electrones en el orbital de valencia. Esto significa que aparece un hueco enel orbital de valencia de cada átomo trivalente. Un átomo trivalente se deno-mina también átomo aceptor, porque cada uno de los huecos con que contri-buye puede aceptar un electrón libre durante la recombinación.

o Puntos que hay que recordarPara que un fabricante pueda dopar un semiconductor debe producirlo ini-cialmente como un cristal absolutamente puro. Controlando posteriormentela cantidad de impurezas, se pueden determinar con precisión las propieda-

I

JJ

. ELECTRÓN LIBRE '1

'I

(a)

I

(b)

Figura 2-8. a) Dopajepara obtener más electroneslibres; b) dopaje paraobtener más huecos.

/...,,-,.

!

42 PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA

~

--------

------------------------------------------------

+ + + +

Figura 2-9. El semicon-ductor tipo n tiene muchos

electrones libres.

des del semiconductor. Inicialmente resultaba más fácil producir cristalespuros de germanio que de silicio. Por esta razón los primeros dispositivos

- semi conductores estaban hechos de germanio. Después mejoraron las técni-cas de fabricación y se pudieron obtener cristales puros de silicio. Por lasventajas que tiene, el silicio se ha erigido como el material semiconductormás popular y útil.

EJEMPLO2-4

Un semiconductor dopado tiene 10.0Jido y 15 millones de átomos peambiente es de 25°C, ¿cuántos eldentro del semiconductor?

SOLUCIÓN ;;'3

2-'- DOS TIPOS DE SEMICONDUCTORESEXTRíNSECOS

Un semiconductor se puede dopar para qlJe tenga un exceso d<:;electroneslibres o un exceso de huecos. Debido a ello existen dos tipos de semiconduc-tores dopados.

o Semiconductortipo n

El silicio que ha sido dopado con una impureza pentavalente se llama semi-conductor tipo n, donde n hace referencia a negativo. En la Figura 2-9 semuestra un semiconductor tipo n. Como los electrones superan a los huecosen un semiconductor tipo n, reciben el nombre de portadores mayoritarios,mientras que a los huecos se les denomina portadores minoritarios.

Al aplicarse una tensión, los electrones libres dentro del semiconductorse 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 delcircuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco.

Los electrones libres mostrados en la Figura 2-9 circulan hacia el extre-mo izquierdo del cristal, donde entran al conductor para circular hacia elterminal positivo de la batería.

o Semiconductor tipo p

El silicio que ha sido dopado con impurezas trivalentes se llama semicon-ductor tipo p, donde p hace referencia a positivo. La Figura 2-10 representaun semiconductor tipo p. Como el número de huecos supera al número de

electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electroneslibres son los minoritarios.

Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la iz-quierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. En la Figura 2-10, los huecosque llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electroneslibres del circuito externo.

En el diagrama de la Figura 2-10 hay también un flujo de portadoresminoritarios. Los electrones libres.dentro del semiconductor circulan de de-recha a izquierda. Como hay muy pocos portadores miHe.I:iwios, su efectoes casi despreciable en este circuito. ",--r"c"~

2.8. EL DIODONO POLARIZADO

Por sí mismo, un cristal semiconductor tipo n tiene la misma utilidad queuna resistencia de carbón; lo que también se puede decir de un semiconduc-tor tipo p. Pero ocurre algo nuevo cuando un fabricante dopa un cristal de talmanera que una mitad sea tipo p y la otra mitad sea tipo n.

La separación o frontera física entre un semi conductor tipo n y uno tipop se llama unión pn. La unión pn tiene propiedades tan útiles que ha propi-ciado toda clase de inventos, entre los que se encuentran los diodos, lostransistores y los circuitos integrados. Comprender la unión pn permite en-tender toda clase de dispositivos fabricados con semiconductores.

o Eldiodo no polarizado

Como se ha expuesto en la sección anterior, cada átomo trivalente .en uncristal de silicio produce un hueco. Por esta razón puede representarse uncristal de semiconductor tipo p como se aprecia en el lado izquierdo de laFigura 2-11. Cada signo menos (-) encerrado en un círculo representa unátomo trivalente y cada signo más (+) es un hueco en su orbital de valencia.

De manera similar, los átomos pentavalentes y los huecos en un semi-conductor tipo.n se pueden representar como se aprecia en el lado derechode la Figura 2-11. Cada signo más encerrado en un círculo representa unátomo pentavalente y cada signo menos es el electrón libre con que contri-buye al semiconductor. Obsérvese que cada cristal de material semiconduc-tor es eléctricamente neutro porque el número de signos menos y más esigual.

p .-

Figura 2.11. Dos tipos de semiconductores.

SEMICONDUCTORES 43

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Figura 2.10.El semiconductor tipo ptiene muchos huecos.

n

- -

e e e e- - - -

e e e e- - - -

e e e e- - - -e e (i) e

+ + + +e e e e+ + + +e e e e+ + + +e e e e+ + + +e e e e

Un fabricante puede producir un cristal de material tipop en un lado y detipo n en el otro lado, como se muestra en la Figura 2-12. La unión es lafrontera donde se juntan las regiones tipo n y las de tipo p, por lo que estaestructura se llama también diodo de unión (la palabra diodo es una contrac-ción de la expresión «dos electrodos»), donde di significa dos.

)E ELECTRÓNICA

o Lazona de deplexión

Debido a su repulsión mutua, los electrones libres en el lado n de la Figu-ra 2-12 tienden a dispersarse en cualquier dirección. Algunos electrones li-bres se difunden atravesando la unión. Cuando un electrón libre entra en laregión p se convierte en un pO1;tadorminoritario. Con tantos huecos a sualrededor, este electrón tiene un tiempo de vida muy corto. Poco después deentrar en la región p, el electrón libre cae en un hueco. Cuando esto sucede,el hueco desaparece y el electrón libre se convierte en un electrón de valen-cia. Cada ocasión en la que un electrón se difunde a través de la unión, creaun par de iones. Cuando un electrón abandona el lado n, deja un átomopentavalente al que le hace falta una carga negativa; este átomo se convierteen ión positivo. Una vez que el electrón cae en un hueco en el lado p, elátomo trivalente que lo ha capturado se convierte en ión negativo.

En la Figura 2-13a se muestran estos iones a cada lado de la unión. Lossignos más (+) encerrados en círculos representan los iones positivos, mien-tras que los signos menos (-) encerrados en círculos representan los ionesnegativos. Los iones se encuentran fijos en la estructura del cristal debido alos enlaces covalentes y no pueden moverse de un lado a otro como loselectrones libres y los huecos.

Cada pareja de iones positivo y negativo en la unión se llama dipolo. Lacreación de un dipolo hace que desaparezcan un electrón libre y un hueco. Amedida que aumenta el número de dipolos, la región cercana a la unión sevacía de portadores. A esta zona sin portadores se la conoce como zona dedeplexión (Fig. 2-13b).

o Barrera de potencial

Cada dipolo posee un campo eléctrico entre los iones positivo y negativoque lo forman; por tanto, si entran electrones libres adicionales en la zona dedeplexión, el campo eléctrico trata de devolver estos electrones hacia lazona n. La intensidad del campo eléctrico aumenta con cada electrón que

Figura 2-12. La unión pn.

+ + + + - - - -e e e e 0 0 0 0+ + + + - - - -e e e e 0 0 0 0+ + + + - - - -e e e e 0 0 0 0+ + + + - - - -e e e e 0 0 0 0

U~HH~'-'."

ZONA DE DEPLEXIÓN

(b)

Figura 2.13. a) Creación de iones en la unión;.b) zona de deplexión.

cruza hasta que se alcanza el equilibrio. En una primera aproximación, estosignifica que el campo acabará por detener la difusión de electrones a travésde la unión.

En la Figura 2-13 el campo eléctrico entre los iones es equivalente a unadiferencia de potencial llamada barrera de potencial. A 25 DCla barrera depotencial es aproximadamente de 0,3 V para diodo s de germanio y de 0,7 Vpara diodo s de silicio.

2.9. POLARIZACiÓN DIRECTA

En la Figura 2-14 se ve una fuente de corriente continua conectada a undiodo. El terminal negativo de la fuente está conectado al material tipo n, yel terminal positivo al material tipo p. Esta conexión se llama polarizacióndirecta.

o Flujo de electrones libres

En la Figura 2-14 la batería empuja huecos y electrones libres hacia launión. Si la tensión de la batería es menor que la barrera de potencial, loselectrones libres no tienen suficiente energía para atravesar la zona de de-plexión. Cuando entran en esta zona, los iones se ven empujados de regresoa la zona n. A causa de esto no circula corriente a través del diodo.

p

+

+ +ce e e+ +e e e+ +e e e

v-=-

n

e e ee G GG G G

Figura 2.14. Polarización directa.

IONES

+ + +e e e e e e e e+ + + -e e e e e e e e+ + + - - -e e e e e e e G+ + + - - -e e e e e e e e

(a)

+ + + - - -e e e e e e+ + + - - -

e e e G e e+ + + - - -e e e e e e+ + +

f¡- - -

e e e e e e

ELECTRÓNICA

Cuando la fuente de tensión continua es mayor que la barrera de poten-cial, la batería empuja de nuevo huecos y electrones libres hacia la unión.Esta vez los electrones libres tienen suficiente energía para pasar a través dela zona de deplexión y recombinarse con los huecos. Para hacerse una ideabásica, imaginemos todos los huecos en la zonap moviéndose hacia la dere-cha y todos los electrones libres desplazándose hacia la izquierda. En algúnlugar próximo a la unión estas cargas opuestas se recombinan. Como loselectrones libres entran continuamente por el extremo derecho del diodo ycontinuamente se crean huecos en el extremo izquierdo, existe una corrientecontinua a través del diodo.

o ElflujOde un electrón

Sigamos a un único electrón a lo largo del circuito completo..Después deque el electrón libre abandona el terminal negativo de la batería entra en elextremo derecho del diodo. Viaja a través de la región n hasta que alcanza launión. Cuando la tensión de la batería es mayor que 0,7 V, el electrón libretiene energía suficiente para atravesar la zona de deplexión. Poco después

. de entraren la regiónp se recombinacon un hueco.En otras palabras, el electrón libre se convierte en un electrón de valen-

cia. Como tal continúa su viaje hacia la izquierda, pasando de un hueco alsiguiente hasta que alcanza el extremo izquierdo del diodo. Cuando dejaeste último, aparece un nuevo hueco y el proceso comienza otra vez. Comohay miles de millones de electrones haciendo el mismo viaje, tenemos unacorriente continua a través del diodo.

o Recordatorio

La corriente circula fácilmente en un diodo de silicio polarizado en directa.Cuando la tensión aplicada sea mayor que la barrera de potencial habrá unagran corriente continua en el circuito. En otras palabras, si la fuente de ten-sión es mayor que 0,7 V, un diodo de silicio produce una corriente continuaen la dirección directa.

2-10. POLARIZACiÓNINVERSA

Si se invierte la polaridad de la fuente de continua, entonces el diodo queda-rá polarizado en inversa, como se ve en la Figura 2-15. En este caso, elterminal negativo de la batería se encuentra conectado alIado p y el terminalpositivo lo está alIado n. Esta conexión se denomina polarización inversa.

o Ensanchamiento de la zona de deplexión

El terminal negativo de la batería atrae los huecos y el terminal positivo loselectrones libres; por ello, los huecos y electrones libres se alejan de launión; como resultado, la zona de deplexión se ensancha.

,.

p

+

+ +e e e+ +e e e+ +e e e

v-

n

e e ee e ee e e

Figura 2-15. Polarización inversa.

¿Cuánto aumenta la anchura de la zona de deplexión en la Figura 2-l6a?Cuando los huecos y los electrones se alejan de la unión, los iones reciéncreados hacen que aumente la diferencia de potencial a través de la zona dedeplexión. A mayor anchura de dicha zona corresponde mayor diferencia depotencial. La zona de deplexión deja de aumentar en el momento en que sudiferencia de potencial es igual a la tensión inversa aplicada. Cuando estosucede los electrones y los huecos no se alejan de la unión.

En ocasiones, la zona de deplexión se muestra como una zona sombrea-da como la de la Figura 2-16. La anchura de esta zona sombreada es propor-cional a la tensión inversa. A medida que la tensión inversa crece, aumentatambién la zona de deplexión.

o Corriente de portadores minoritarios

¿Existe alguna corriente después de haberse estabilizado la zona de deple-xión? Sí. Incluso con polarización inversa hay una pequeña corriente. Re-cuérdese que la energía térmica crea continuamente pares de electrones li-bres y huecos, 10 que significa que a ambos lados de la unión existenpequeñas concentraciones de portadores minoritarios. La mayor parte deéstos se recombinan con los portadores mayoritarios, pero los que se hallandentro de la zona de deplexión pueden vivir 10 suficiente para cruzar launión. Cuando esto sucede, por el circuito externo circula una pequeña co-rriente.

(a)

p n

v:-+

(b)

Figura 2-16. a) Zona de deplexión; b) incrementar la polarización inversa aumenta elancho de la zona de deplexión.

+ + + - - -e e e 0 e e+ + + - - -e e e e 0 0+ + + - - -e e e e e e+ + + - - -e e e e e e

CIPIOS DE ELECTRÓNICA

p n

v

Figura 2-17. La producción térmica de electrones libres y huecos en la zona dedeplexión produce una corriente inversa de saturación minoritaria.

En la Figura 2-17 se ilustra esta idea. Supóngase que la energía ténnicaha creado un electrón libre y un hueco cerca de la unión. La zona de deple-xión empuja al electrón libre hacia la derecha, provocando que un electróndeje el extremo derecho del cristal. El hueco en la zona de deplexión es

. empujado hacia la izquierda. Este hueco extra en el lado p ocasiona que unelectrón entre por el extremo izquierdo del cristal y se recombine con unhueco. Como la energía térmica está creando constantemente pares elec-trón-hueco dentro de la zona de deplexión, se producirá continuamente unapequeña corriente en el circuito externo.

La corriente inversa originadapor los portadores minoritariosproduci-dos térmicamente se llama corriente inversa de saturación. En las ecua-ciones esta corriente se simboliza por Is. El nombre representa el hecho deque no se puede obtener una corriente de portadores minoritarios mayor quela producida por energía térmica; es decir, aumentar la tensión inversa nohará que crezca el número de portadores minoritarios creados térmicamente.

o Corriente superficial de fugas

Además de la corriente de portadores minoritarios producidos térmicamen-te, ¿existe alguna otra corriente en el diodo polarizado en inversa? Sí, unapequeña corriente circula sobre la supeljicie del cristal. Esta corriente sedenomina corriente superficial de fugas, que es causada por impurezas en

.' la supeljicie del cristal e impeifecciones en su estructura interna.

o Recordatorio

La corriente inversa total en un diodo es una corriente de portadores minori-tarios muy pequeña y dependiente de la temperatura y una corriente de fugassuperficial muy pequeña y directamente proporcional a la tensión aplicada.En muchas aplicaciones la corriente inversa de un diodo de silicio es tanpequeña que pasa inadvertida. La principal idea a recordar es que la corrien-te es aproximadamente cero en un diodo de silicio polarizado en inversa.

+ + + - - -

e e e e e e e e- + + + + - - - - -e e e e e e e e+ + + - - -e e e e e e e e

---

2.11. RUPTURA

Los diodos admiten unos valores máximos en las tensiones que se les apli-can. Por tanto, existe un límite para la tensión máxima en inversa con que sepuede polarizar un diodo sin correr el riesgo de destruido.

Si se aumenta continuamente la tensión inversa, llegará un momento enque se alcance la tensión de ruptura del diodo. Para muchos diodos, la ten-sión de ruptura es normalmente mayor de 50 V. La tensión de ruptura semuestra en la hoja de características del diodo. Hablaremos sobre las hojasde características en el Capítulo 3.

Una vez alcanzada la tensión de ruptura, una gran cantidad de portado-res minoritarios aparece repentinamente en la zona de deplexión y el diodoconduce descontroladamente.

¿De dónde vienen estos portadores? Se producen por el efecto de ava-lancha (Fig. 2-18) que aparece con tensiones inversas elevadas. Como siem-pre, hay una pequeña corriente inversa de portadores minoritarios. Cuandola tensión inversa aumenta, obliga a los portadores minoritarios a moversemás rápidamente. De esta forma chocarán con los átomos del cristal. Sidichos portadores adquieren la energía suficiente, pueden golpear a los elec-trones de valencia y liberarlos; es decir, pueden producir electrones libres.Estos nuevos portadores minoritarios pueden unirse a los ya existentes paracolisionar contra otros átomos. El proceso es geométrico, ya que un electrónlibre libera a un electrón de valencia, obteniéndose dos electrones libres.Estos dos electrones libres liberan, a su vez, a otros dos de valencia, y asísucesivamente, de forma que el proceso continúa hasta que la corriente in-versa es muy grande.

En la Figura 2-19 se observa una vista amplificada de la zona de deple-xión. La polarización inversa obliga a los electrones libres a moverse haciala derecha. Cada electrón, a medida que se desplaza, gana velocidad. Cuantomayor sea la tensión inversa, más rápido se mueven los electrones. Si unelectrón con una gran velocidad tiene la energía suficiente, puede golpear elelectrón de valencia del primer átomo y colocarlo en una orbital mayor, loque da como resultado dos electrones libres, los cuales pueden acelerarse ydesligar dos electrones más. De esta forma, el número de portadores minori-tarios puede llegar a ser demasiado grande y el diodo puede conducir sincontrol.

La tensión de ruptura de un diodo depende del nivel de dopaje del mis-mo. Con diodos rectificadores (el tipo más común), la tensión de rupturasuele ser mayor de 50 V.

-1v -

+e

p

+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ - ]

n

Figura 2.18. La avalancha produce muchos electrones libres y huecosen la zona de deplexión.

-@

.-@@@-@-@-@

Figura 2.19. El procesode avalancha es unaprogresión geométrica:1,2,4,8, ...

~1I--

50

2-12. NIVELES DE ENERCíA

PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA

~~

O NÚCLEO

(a)

BORDE DE NÚCLEO

(b)

Figura 2-20. El nivel deenergía es proporcionalal tamaño de la orbital.

a) Orbitales; b) niveles deenergía.

Como una buena aproximación, la energía total de un electrón puede identi-ficarse con el tamaño de su orbital. Es decir, puede pensarse que el tamañode cada uno de sus radios (Fig. 2-20a) es equivalente a los niveles de energía.representados en la Figura 2-20b. Los electrones de la orbital más pequeñaestán en el primer nivel de energía; los electrones de la segunda orbital estánen el segundo nivel de energía y así sucesivamente.

o Más energía en el orbital mayor

Como el electrón es atraído por el núcleo, se requiere energía adicional parallevado a un orbital mayor. Cuando un electrón salta de la primera al segun-do orbital, gana energía potencial con respecto al núcleo. Algunos de losagentes externos que pueden hacer saltar a un electrón a un nivel de energíamayor son el calor, la luz y la tensión eléctrica.

Supóngase, por ejemplo, que una fuerza externa eleva el electrón de laprimera al segundo Corbital.Este electrón tiene más energía potencial porqueestá más alejado del núcleo. La situación es similar a la de un objeto situadosobre la Tierra. Cuanto más alto se halle el objeto, mayor será su energíapotencial con respecto a la Tierra. Si se suelta el objeto, puede realizar unmayor trabajo al caer sobre la Tierra.

o Loselectrones pueden emitir luz

Después de que un electrón ha saltado a una orbital mayor, puede regresar asu nivel de energía inicial. Si lo hace, devolverá la energía sobrante en. for-ma de calor, luz u otro tipo de radiación.

En un diodo emisor de luz (LED: Light-Emitting Diode), la tensiónaplicada eleva los electrones a niveles superiores de energía. Cuando estoselectrones caen de nuevo a los niveles inferiores de energía, desprenden luz:Dependiendo del material que se use en la fabricación del diodo, la luz esroja, verde, naranja o azul. Algunos LED producen radiación infrarroja (in-visible), que es útil en sistemas de alarma antirrobos.

o Bandas de energía

Cuando un átomo de silicio está aislado, la orbital de un electrón sólo se veinfluida por las cargas del átomo aislado. Lo que provoca que los niveles deenergía sean los que se representan por las líneas de la Figura 2-20b. Perocuando los átomos de silicio están en un cristal la orbital de cada electróntambién se ve influenciada por las cargas de muchos otros átomos de silicio.Como cada electrón tiene una posición única dentro de la red cristalina, nohay dos electrones que posean exactamente el mismo patrón de cargas alre-dedor. Ésta es la razón de que la orbital de cada electrón sea diferente; o,dicho de otro modo, los niveles de energía de cada electrón son distintos..

La Figura 2-21 muestra lo que le sucede a los niveles de energía. Tod~slos electrones de la primera orbital tienen niveles de energía ligeramentediferentes porque no hay dos electrones que vean exactamente el mismo

----. .

++++ . .I

BANDA DE CONDUCCiÓN

o oo o

25°CBANDA DE VALENCIA

2.a BANDA

-273°C 1.aBANDA

Figura 2-21. Semiconductor intrínseco y sus bandas de energía.

entorno de cargas. Como hay miles de millones de electrones en la primeraorbital, estas ligeras diferencias de niveles de energía forman un grupo obanda de energía. Similarmente, los miles de millones de electrones de lasegunda orbital forman la segunda banda de energía; y así sucesivamentepara el resto de las bandas.

Otra aclaración. Como ya se sabe, la energía térmica produce unos po-cos electrones libres y huecos. Los huecos permanecen en la banda de valen-cia, pero los electrones libres se mueven a la banda de energía inmediata-mente superior, la cual se denomina banda de conducción. Éste es el motivopor el que la Figura 2-21 muestra una banda de conducción con algunoselectrones libres y una banda de valencia con algunos huecos. Cuando secierra el interruptor, existe una pequeña corriente en el semiconductor puro.Los electrones libres se desplazan a través de la banda de conducción y loshuecos lo hacen a través de la banda de valencia.

o Bandas de energía tipo n

La Figura 2-22 presenta las bandas de energía para un semiconductor tipo n.Como cabría esperar, los portadores mayoritarios son los electrones libresen la banda de conducción, y los minoritarios son los huecos en la banda devalencia. Como el interruptor está cerrado en la Figura 2-22, los portadoresmayoritarios circulan hacia la izquierda y los minoritarios hacia la derecha.

o Bandas de energía tipo p

La Figura 2-23 muestra las bandas de energía para un semiconductor tipo p.Aquí se observa una inversión de papeles de los portadores. Ahora los porta-dores mayoritarios son los huecos en la banda de valencia, y los minoritariosson los electrones de la banda de conducción. Como el interruptor está ce-rrado, los portadores mayoritarios circulan hacia la derecha y los minorita-rios hacia la izquierda.

~

."<".

~='~-

52 PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA

- - --- - -- . . . .. . . .

I

BANDA DE CONDUCCiÓN

++++++++

.+

BANDA DE CONDUCCIÓN

25°C

o

BANDA DE VALENCIA

oO

OO

OO

OO

25°CBANDA DE VALENCIA

2." BANDA 2." BANDA

-273°C -273 °C 1." BANDA1." BANDA

Figura 2-22. Semiconductor tipo n y sus bandasde energía.

Figura 2-23. Semiconductor tipo p y sus bandasde energía.

2-13- LA BARRERADE ENERCíA

Para comprender el funcionamiento de tipos más avanzados de dispositivossemiconductores, es necesario conocer el modo en que los niveles de ener-gía controlan la acción de una unión pn.

o Antes de la difusión

Suponiendo una unión abrupta (es decir, una unión que pasa bruscamentedel materialtipo p al materialtipo n), ¿cómo es el diagramade energíacorrespondiente?

En la Figura 2-24a se representan las bandas de energía antes de que loselectrones se hayan difundido a través de la unión. El lado p tiene grancantidad de huecos en .labanda de valencia y el lado n posee muchos elec-trones en la banda de conducción. Pero ¿por qué las bandas p están ligera-mente más altas que las bandas n?

El lado p está formado por átomos trivalentes con una carga de la parteinterna de +3, como se muestra en la Figura 2-24b. Por otra parte, el lado ntiene átomos pentavalentes con una carga de la parte interna de +5 (Figu-ra 2-24c). La parte interna de +3 atrae a un electrón con menos fuerza que laparte interna de +5.

Por tanto, los orbitales de un átomo trivalente (lado p) son ligeramentemayores, en energía, que los de un átomo pentavalente (lado n).

Una unión abrupta como la de la Figura 2-24a es una idealización, yaque el ladop no puede terminar súbitamente donde comienza la región n. Undiodo real exhibe un cambio gradual de un material a otro.

Por esta razón, la Figura 2-25a constituye un diagrama de energía másrealista de un diodo de unión.

~"-~ -~ -~

SEMICONDUCTORES 53

UNiÓN

ORBITAL DE LA BANDA DE CONDUCCiÓN

\

~ENERGíA

BANDA DECONDUCCiÓN

p

O 000 O000000

BANDA DEVALENCIA ORBITAL DE LA BANDA

DE VALENCIA

(a) (b) (e)

Figura 2.24. a) Bandas de energía de una unión abrupta antes de la difusión; b) los átomos de tipo ptienen orbitales más grandes, equivalentes a un nivel de energía mayor; c) los átomos de tipo n tienen

orbitales más pequeñas, equivalentes a un nivel de energía menor.

o Enel equilibrio

En el instante inicial, cuando el diodo se forma, no existe la zona de deple-xión (Fig. 2-25a). En ese caso los electrones libres se difundirán a través dela unión. En términos de los niveles de energía, este hecho supone que loselectrones de la parte superior de la banda de conducción n se muevan através de la unión, como se describió antes. Inmediatamentedespués de cru-zar la unión, un electrón libre se recombinará con un hueco; es decir, el elec-trón caerá de la banda de conducción a la banda de valencia y, al hacerlo,emitirá calor, luz y otras radiaciones.Esta recombinaciónno sólocrea la zonade deplexión, sino que además cambia los niveles de energía en la unión.

La Figura 2-25b muestra los diagramas de energía después de que hayasido creada la zona de deplexión. Las bandas p se han desplazado haciaarriba con respecto a las bandas n. Como se puede ver, la parte inferior de labanda p está al mismo nivel que la parte superior de la banda n correspon-diente, lo que quiere decir que los electrones en el lado n ya no tienen ener-gía suficiente para cruzar la unión. A continuación se da una explicaciónsimplificada del desplazamiento hacia arriba de la banda p.

La Figura 2-25c contiene una orbital de la banda de conducción alrede-dor de uno de los átomos trivalentes antes de que se lleve a cabo la difusión.Cuando un electrón se difunde a través de la unión, cae en un hueco de unátomo trivalente (Fig. 2-25d). Este electrón extra en la orbital de valenciaaumentará el tamaño del orbital de la banda de conducción, alejándola másdel núcleo del átomo trivalente, como se aprecia en la Figura 2-25d. Portanto, cualquier nuevo electrón que llegue a esta región necesitará más ener-gía que antes para moverse en una orbital de la banda de conducción. Dichoen otros términos, el aumento del orbital de la banda de conducción indicaque el nivel de energía se ha incrementado, lo que equivale a decir que lasbandas p se desplazan hacia arriba con respecto a las bandas n después deque se crea la zona de deplexión.

En el equilibrio, los electrones de la banda de conducción en el lado n semueven en orbitales que no son lo suficientemente grandes para ajustarse alas orbitales del lado p (Fig. 2-25b). Es decir, los electrones en el lado n no

L

54 PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA

Figura 2.25. La difusiónmodifica las bandas deenergía. a) Bandas de

energía antes de la difusión;b) bandas de energía después

de formarse la zona dedeplexión; e) el átomo tipoptiene una orbital menor antes

de la difusión; d) el átomotipo p tiene una orbital más

grande después de ladifusión, equivalente a un

nivel de energía mayor.

\.~- -----

ENERGíA

BANDA DE CONDUCCiÓN

-. ... .......p

n

o O O OO O O O

BANDA DE VALENCIA

(a)

BANDA DE CONDUCCiÓNCON HUECO

HUECO ~~(c)

ENERGíA

p

O O OO O O O

n

(b)

BANDA DE CONDUCCiÓNCON HUECO OCUPADO

!

(d)

tienen la suficiente energía para atravesar la unión. Para un electrón quetrate de difundirse a través de la unión, la trayectoria que debe recorrerpresenta una barrera de energía (Fig. 2-25b). El electrón no puede atravesaresta barrera a menos que reciba energía de una fuente de alimentación exter-na. (Esta fuente de energía puede ser una fuente de tensión, pero tambiénpuede ser calor, luz o otra radiación.)

o Polarizacióndirecta

Mediante la polarización directa se logra que disminuya la barrera de ener-gía (Fig. 2-26). En otras palabras, la batería aumenta el nivel energético delos electrones libres, lo que equivale a empujar la banda n hacia arriba.Debido a esto, los electrones libres adquieren la energía suficiente para en-trar en la zonap. Exactamente despuésde entraren dichazona,cadaelec-trón cae en un hueco (trayectoria A). Como electrón de valencia, continúa suviaje hacia la izquierda del cristal, lo que equivale a que los huecos se mue-van hacia la unión.

Algunos huecos penetran en la región n como se muestra en la Figu-ra 2-26. En este caso, los electrones de la banda de conducción pueden se-guir la trayectoria de recombinación B. Independientemente de dónde se

-- .c-- "',- "',,'.-.'..""'::!

ENERGíA

II

:8IT

0000 c>-oO O O O O O

..,N.....

I

A:I

t np

l

Figura 2-26. La polarización directa proporciona más energía a los electroneslibres, equivalente a un nivel de energía mayor.

lleve a cabo esta recombinación, el resultado es el mismo. Un flujo establede electrones libres se mueve hacia la unión y cae en los huecos cercanos aella. Los electrones así capturados (ahora electrones de valencia) se muevenhacia la izquierda en un flujo continuo mediante los huecos de la región p.Se produce así una corriente continua de electrones a través del diodo.

Cuando los electrones libres caen de la banda de conducción a la devalencia irradian su exceso de energía en forma de calor y luz. En un diodonormal la radiación es energía calorífica, la cual no se puede aprovechar.Pero con un diodo emisor de luz (LED), la radiación es una luz de color rojo,verde, azul o naranja. Los diodos LED se emplean mucho como indicadoresvisuales en instrumentos electrónicos, teclados de ordenador y electrónicade consumo.

2-14- LA BARRERADE POTENCIALY LATEMPERATURA

La temperatura de la unión es la temperatura dentro del diodo, exacta-mente en la unión pn. La temperatura ambiente es diferente. Es la tempera-tura del aire fuera del diodo, el aire circundante al diodo. Cuando el diodoestá conduciendo, la temperatura de la unión es más alta que la temperaturaambiente a causa del calor creado en la recombinación.

La barrera de potencial depende de la temperatura en la unión. Un incre-mento en la temperatura de la unión crea más electrones libres y huecos enlas regiones dopadas. Como estas cargas se difunden en la zona de deple-xión, ésta se estrecha, lo que significa que hay menos barrera de potencial atemperaturas altas de la unión.

Antes de continuar necesitamos definir un símbolo:

L1 = el cambio en (2-2)

La letra griega L1(delta) significa aquí «el cambio en». Por ejemplo, L1Vsignifica el cambio en la tensión, y L1Tsignifica el cambio en la temperatura.

LiVLiT= -2 mV¡OC (2-3)

ELECTRÓNICA

La relación LiVILiT representa el cambio en la tensión dividido por el cambioen la temperatura.

Ahora podemos establecer una regla para estimar el cambio en la barrerade potencial: la barrera de potencial de un diodo de silicio decrece 2 m Vpor cada incremento de 1 grado Celsius.

Como una derivación:

Reordenando:

LiV =(-2 mV/°C) LiT (2-4)

Con esto podemos calcular la barrera de potencial a cualquier tempera-tura de la unión.