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UNIDAD I. DIODOS

  

1.1. Fundamentos Eléctricos de los Elementos Electrónicos

 

1.1.1. Partículas cargadas

 

La carga o cantidad de electricidad que posee un e es de  . Por convención se asume que la carga del e es del tipo negativa.

 

El valor de la carga del e es el mínimo valor del que se puede disponer en la naturaleza. Esto significa que la carga es una magnitud discreta. En su estado natural el átomo es neutro, es decir su carga neta es cero (0), es decir si un átomo se le extraen e n entonces la carga neta del átomo será n veces la carga de un e pero con signo positivo. Un átomo o molécula con carga se denomina "ión".

 

Figura  1 Partículas Cargadas

 

1.1.2. Campo Eléctrico

 

Es la región del espacio donde se ponen de manifiesto los fenómenos eléctricos. Se representa por E y es de naturaleza vectorial. En el Sistema Internacional de unidades el campo eléctrico se mide en newton/culombio (N/C).

 

La región del espacio situada en las proximidades de un cuerpo cargado posee unas propiedades especiales. Si se coloca en cualquier punto de dicha región una carga eléctrica de prueba, se observa que se encuentra sometida a la acción de una fuerza. Este hecho se expresa diciendo que el cuerpo cargado ha creado un campo eléctrico. La intensidad de campo eléctrico en un punto se define como la fuerza que actúa sobre la unidad de carga situada en él. Si E es la intensidad de campo, sobre una carga Q actuará una fuerza

 

F = Q · E

 

La dirección del campo eléctrico en cualquier punto viene dada por la de la fuerza que actúa sobre una carga positiva unidad colocada en dicho punto.

 

Las líneas de fuerza en un campo eléctrico están trazadas de modo que son, en todos sus puntos, tangentes a la dirección del campo, y su sentido positivo se considera que es el que partiendo de las cargas positivas termina en las negativas.

 

La intensidad de un campo eléctrico creado por varias cargas se obtiene sumando vectorialmente las intensidades de los campos creados por cada carga de forma individual.

 

1.1.3. Diferencia de Potencial

 

La diferencia de potencial, también llamada tensión eléctrica, es el trabajo necesario para desplazar una carga positiva unidad de un punto a otro en el interior de un campo eléctrico; en realidad se habla de diferencia de potencial entre ambos puntos (VA - VB). La unidad de diferencia de potencial es el voltio (V).

 

Un generador de corriente eléctrica permite mantener una diferencia de potencial constante y, en consecuencia, una corriente eléctrica permanente entre los extremos de un conductor. Sin embargo, para una determinada diferencia de potencial, los distintos conductores difieren entre sí en el valor de la intensidad de corriente obtenida, aunque el campo eléctrico sea el mismo. Existe una relación de proporcionalidad, dada por la ley de Ohm, entre la diferencia de potencial entre los extremos de un conductor y la intensidad que lo recorre. La constante de proporcionalidad se denomina resistencia del conductor y su valor depende de su naturaleza, de sus dimensiones geométricas y de las condiciones físicas, especialmente de la temperatura.

 

La diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito se mide con un voltímetro, instrumento que se coloca siempre en derivación entre los puntos del circuito cuya diferencia de potencial se quiere medir.

 

1.1.4. Corriente Eléctrica

 

Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor metálico, por ejemplo un cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta neutralización se lleva a cabo mediante un flujo de electrones a través del conductor, desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (en ingeniería eléctrica, se considera por convención que la corriente fluye en sentido opuesto, es decir, de la carga positiva a la negativa). En cualquier sistema continuo de conductores, los electrones fluyen desde el punto de menor potencial hasta el punto de mayor potencial. Un sistema de esa clase se denomina circuito eléctrico. La corriente que circula por un circuito se denomina corriente continua (c.c.) si fluye siempre en el mismo sentido y corriente alterna (c.a.) si fluye alternativamente en uno u otro sentido.

 

El flujo de una corriente continua está determinado por tres magnitudes relacionadas entre sí. La primera es la diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se denomina fuerza electromotriz (fem), tensión o voltaje. La segunda es la intensidad de corriente. Esta magnitud se mide en amperios; 1 amperio corresponde al paso de unos 6.250.000.000.000.000.000 electrones por segundo por una sección determinada del circuito. La tercera magnitud es la resistencia del circuito. Normalmente, todas las sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita la corriente. La unidad empleada para cuantificar la resistencia es el ohmio (Ω), que se define como la resistencia que limita el flujo de corriente a 1 amperio en un circuito con una fem de 1 voltio. La ley de Ohm, llamada así en honor al físico alemán Georg Simon Ohm, que la descubrió en 1827, permite relacionar la intensidad con la fuerza electromotriz. Se expresa mediante la ecuación e = I × R, donde e es la fuerza electromotriz en voltios, I es la intensidad en amperios y R es la resistencia en ohmios. A partir de esta ecuación puede calcularse cualquiera de las tres magnitudes en un circuito dado si se conocen las otras dos.

 

Cuando una corriente eléctrica fluye por un cable pueden observarse dos efectos importantes: la temperatura del cable aumenta y un imán o brújula colocado cerca del cable se desvía, apuntando en dirección perpendicular al cable. Al circular la corriente, los electrones que la componen colisionan con los átomos del conductor y ceden energía, que aparece en forma de calor. La cantidad de energía desprendida en un circuito eléctrico se mide en julios. La potencia consumida se mide en vatios; 1 vatio equivale a 1 julio por segundo. La potencia P consumida por un circuito determinado puede calcularse a partir de la expresión P = e × I, o la que se obtiene al aplicar a ésta la ley de Ohm: P = I2 × R. También se consume potencia en la producción de trabajo mecánico, en la emisión de radiación electromagnética como luz u ondas de radio y en la descomposición química.

 

1.1.5. Resistencia Eléctrica

 

Resistencia, propiedad de un objeto o sustancia que hace que se resista u oponga al paso de una corriente eléctrica. La resistencia de un circuito eléctrico determina —según la llamada ley de Ohm— cuánta corriente fluye en el circuito cuando se le aplica un voltaje determinado. La unidad de resistencia es el ohmio, que es la resistencia de un conductor si es recorrido por una corriente de un amperio cuando se le aplica una tensión de 1 voltio. La abreviatura habitual para la resistencia eléctrica es R, y el símbolo del ohmio es la letra griega omega, Ω. En algunos cálculos eléctricos se emplea el inverso de la resistencia, 1/R, que se denomina conductancia y se representa por G. La unidad de conductancia es siemens, cuyo símbolo es S. Aún puede encontrarse en ciertas obras la denominación antigua de esta unidad, mho.

 

La resistencia de un conductor viene determinada por una propiedad de la sustancia que lo compone, conocida como conductividad, por la longitud por la superficie transversal del objeto, así como por la temperatura. A una temperatura dada, la resistencia es proporcional a la longitud del conductor e inversamente proporcional a su conductividad y a su superficie transversal. Generalmente, la resistencia de un material aumenta cuando crece la temperatura.

 

1.2. Teoría de Semiconductores

 

Un semiconductor, es un material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido. Su importancia en electrónica es inmensa en la fabricación de diodos, transistores y circuitos integrados.

 

Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en órbita exterior ó de valencia. Los conductores tienen 1 electrón de valencia, los semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones de valencia.

 

Los 2 semiconductores que veremos serán el Silicio y el Germanio:                   

 

Figura 2 Átomos de Germanio y Silicio

 

Como vemos los semiconductores se caracterizan por tener una parte interna con carga + 4 y 4 electrones de valencia.

 

1.3. Conducción en los materiales

 

La teoría de los fenómenos de conducción trata sobre las causas de la existencia de la corriente eléctrica. Si bien en los metales y aislantes presenta una relativa simplicidad, existe una amplísima teoría sobre lo que sucede en los semiconductores. En todo caso, no hay que olvidar que una teoría es correcta en cuanto a que predice acertadamente el comportamiento físico real de los dispositivos, lo que no significa que esté plenamente demostrado que las cosas sucedan precisamente en la forma en que se explican.

 

1.3.1. Tipos de materiales en función de la conducción eléctrica

 

Desde el punto de vista eléctrico, los materiales se clasifican en aislantes, semiconductores y conductores, atendiendo al valor de su conductividad.

 

Figura 3  Conductividad de algunos materiales (T= 0 ºK)

 

La conductividad de un material depende no sólo de la temperatura, sino de su estructura cristalina, estado de agregación, etc. Si nos fijamos en la figura 3, nos damos cuenta que la conductividad es una de las magnitudes físicas con un mayor margen de variación: más de 25 órdenes de magnitud de un material a otro.

 

En los materiales aislantes, sabemos que las propiedades eléctricas están dominadas por fenómenos de polarización, que llevan a la creación de dipolos eléctricos. Por otro lado, en los materiales conductores, las propiedades eléctricas están dominadas por fenómenos de conducción. Existen electrones libres en el material que pueden moverse libremente por el mismo, y por lo tanto, ser arrastrados por la acción de un campo eléctrico externo. La teoría de semiconductores es mucho más complicada: estos materiales presentan un comportamiento intermedio entre los conductores y los aislantes y, además, dependiendo de las condiciones su comportamiento se acercará más a un lado o a otro.

 

La razón de estas grandes diferencias en las propiedades eléctricas de un material a otro se encuentra en su estructura electrónica. La conducción se produce por el movimiento de los portadores de corriente (cargas móviles). Para ser portador de corriente y poder moverse por el interior del material, es necesario que los electrones tengan un nivel energético que les permita vencer la atracción de los protones del núcleo. Dicha atracción es proporcional al campo eléctrico existente, y éste, a su vez, inversamente proporcional a la distancia entre las cargas. La situación es tal, que sólo los electrones más distantes del núcleo pueden abandonar el átomo (menor fuerza de atracción desde el núcleo y mayor energía cinética propia).

 

La energía de los electrones de los átomos que componen los cuerpos está distribuida según niveles de energía discretos para los electrones más internos de los átomos, y según BANDAS de energía, para los electrones que pertenecen a las capas mas externas. Podemos decir que son estas bandas más externas (y su nivel de ocupación) las que determinan las propiedades eléctricas características de un material. Estas bandas de energía, su separación, población....dependen de determinados factores intrínsecos al material tales como el enlace químico, estructura cristalina..., y de factores externos como la temperatura y la concentración de impurezas del material. En la figura 4 podemos apreciar un esquema de una estructura de bandas típica a 0 grados kelvin de temperatura.

 

Figura  4 Estructura de bandas típìca a T=0 ºK

 

Las dos últimas bandas que pueden estas ocupadas reciben el nombre de banda de conducción (B.C) y banda de valencia (B.V). Es en esta última donde se encuentran los electrones que participan directamente en el enlace de los átomos que forman la red en los materiales aislantes y semiconductores. Cuando estos electrones adquieren suficiente energía, pueden pasar a la banda de conducción, y es aquí donde pueden participar en fenómenos de conducción. De modo que para que los electrones de una banda puedan participar en procesos de conducción al aplicar un campo eléctrico deben existir niveles libres en estas bandas a los cuales el electrón se pueda mover cuando aumenta su energía, es decir, que dichas bandas no deben estar llenas.

 

La figura 5 muestra el esquema de las bandas de energía a 0 ºK para los distintos materiales que se presentan, según su conductividad. En el caso de los conductores, cada átomo aporta uno o varios electrones que pueden moverse libremente por el cristal, lo cual se representa con la banda de conducción “solapada” con la de valencia, de modo que la Eg=0.

 

Los materiales aislantes presentan generalmente enlace iónico. Los electrones están fuertemente unidos a sus átomos respectivos, que en términos energéticos es lo mismo que decir que su Eg es muy elevada.

 

Los materiales semiconductores presentan un enlace covalente típico, esto es, cada átomo aporta un determinado número de electrones que participa sólo en el enlace con sus átomos vecinos. A T= 0 ºK, todos los electrones se encuentran unidos a sus átomos respectivos (electrones en la banda de valencia). Pero como la Eg de estos materiales no es muy alta (alrededor de 1 eV en los semiconductores típicos), a medida que la temperatura va aumentando, los electrones en la B.V, van adquiriendo la suficiente energía como para romper su enlace y moverse por el cristal. Es decir, para saltar la barrera Eg y pasar a la B.C. (Ej. En el silicio, aproximadamente hay 106 átomos/cm3 que pueden pasar a la banda de conducción a temperatura ambiente).

 

Figura 5 Diagrama de Bandas a 0 ºK

 

1.4. Conducción en los semiconductores

 

Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro de cinc y el telururo de plomo. El incremento de la conductividad provocado por los cambios de temperatura, la luz o las impurezas se debe al aumento del número de electrones conductores que transportan la corriente eléctrica. En un semiconductor característico o puro como el silicio, los electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están emparejados y son compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido. Estos electrones de valencia no están libres para transportar corriente eléctrica. Para producir electrones de conducción, se utiliza la luz o la temperatura, que excita los electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden transmitir la corriente. Las deficiencias o huecos que quedan contribuyen al flujo de la electricidad (se dice que estos huecos transportan carga positiva).

 

Figura 6 Flujo de Electrones en función de flujo de huecos

 

 

 

1.5. Semiconductores contaminados

 

Para aumentar la conductividad  de un semiconductor, se le suele dopar o añadir átomos de impurezas a un semiconductor intrínseco, un semiconductor  dopado es un semiconductor  extrínseco.

 

IMPUREZAS DE VALENCIA 5

 

Aquí se le agregan a un semiconductor intrínseco impurezas de valencia 5, tales como átomos de arsénico, antimonio o fósforo. En la figura 7, tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 5.

Figura  7 Semiconductor Dopado con Impurezas de valencia 5

 

Los átomos de valencia 5 tienen un electrón de más, así con una temperatura no muy elevada (a temperatura ambiente por ejemplo), el 5º electrón se hace electrón libre. Esto es, como solo se pueden tener 8 electrones en la órbita de valencia, el átomo pentavalente suelta un electrón que será libre.

Siguen dándose las reacciones anteriores. Si metemos 1000 átomos de impurezas tendremos 1000 electrones más los que se hagan libres por generación térmica (muy pocos).

A estas impurezas se les llama "Impurezas Donadoras". El número de electrones libres se llama n (electrones libres/m3).

IMPUREZAS DE VALENCIA 3

 

Aquí se le agregan a un semiconductor intrínseco impurezas de valencia 3, tales como átomos  de aluminio, boro y galio. En la figura 8, tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 3.

 

Figura  8 Semiconductor dopado con impurezas de valencia 3

 

Los átomos de valencia 3 tienen un electrón de menos, entonces como nos falta un electrón tenemos un hueco. Esto es,  ese átomo trivalente tiene 7 electrones en la orbita de valencia. Al átomo de valencia 3 se le llama "átomo trivalente" o "Aceptor".

A estas impurezas se les llama "Impurezas Aceptoras". Hay tantos huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de generación térmica (muy pocos). El número de huecos se llama p (huecos/m3).

BIBLIOGRAFÍA

 

 


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