Diodo baritt

Introducción:

En los últimos años la investigación de la física del estado sólido de la materia, ha provisto a los científicos de los conocimientos necesarios para producir nuevos dispositivos electrónicos, los semiconductores que ocupan hoy día un lugar de prominencia en el mundo de la electrónica.

Componentes prácticamente desconocidos hace treinta años, surgen hoy, desplazando a las válvulas de vacío (tubos) de funciones que hasta hace poco se creían de su exclusiva propiedad.

Para el estudio y comprensión de los fenómenos que ocurren en dispositivos semiconductores, es necesario conocer algunos detalles del mundo atómico, como por ejemplo:

• Su estructura
• Propiedades de las partículas que lo Integran

El componente fundamental de la materia, es decir, de todo lo que nos rodea, es el átomo que se le asigna una estructura como lo indica la Fig. (1), compuesto de un núcleo, el que contiene partículas llamadas:

• Protones

  
  Carga eléctrica positiva (+) de masa mayor que el neutrón.

• Neutrones

  
  Sin carga eléctrica, menor masa y más inestable
• Alrededor del núcleo giran partículas llamadas electrones, de carga eléctrica negativa (-), constituyen el elemento fundamental de la electricidad.
  

Propiedades del átomo

 Los protones que poseen carga eléctrica positiva de igual magnitud que la del electrón, son aproximadamente 1800 veces más pesado.

• Un átomo normal, el número de electrones que giran alrededor del núcleo, es igual al número de protones, y por ello se dice que un átomo es eléctricamente neutro.
• Debido al movimiento de rotación de los electrones alrededor del núcleo a, actúa sobre él una fuerza centrífuga que trata de alejarlos del núcleo. Esta fuerza se equilibra con la fuerza de atracción del núcleo lo que mantiene al electrón en una órbita estable.(Fig. 2)

• Todo lo que nos rodea, es decir, todos los materiales que forman nuestro mundo diario, están formados por aproximadamente 100 sustancias básicas o elementos.

Ejemplo

 

H  ,  Ca  ,  N  ,  O  ,  K  ,  Cl  , Cu, Na,  etc

 O bien una combinación de dos o más elementos básicos 

 

Ejemplo:

Agua, Sal, Acero, Bronce, etc

• Cada elemento básico posee una cantidad diferente de electrones girando alrededor del núcleo, en diferentes órbitas que se designan con las letras:

K, L, M, N, O, P, Q

La órbita más cercana al núcleo es la capa K; y la mas alejada del núcleo se designa con la letra Q.

La última capa u orbital de un átomo se denomina capa de valencia.

Un átomo que posee en su última capa un número máximo de 8 e^–, este elemento se comporta como un aislador.

Ejemplo

Gases Nobles como el Neón, Argón,. Kriptón, etc

Aquellos átomos que poseen 1, 2 o 3 electrones en el último orbital son buenos conductores. 

Ejemplo

Oro, Plata, Cobre, etc

Los átomos que poseen 4 electrones en su ultimo orbital se denominan semi conductores.

Ejemplo:

Germanio, Silicio, etc

1. Los electrones ubicados en la última capa, son los que determinan las propiedades químicas y eléctricas de un elemento y se denominan electrones de valencia y la capa que los contiene capa de valencia.
2. Sobre la capa de valencia existen niveles vacantes en las que se denominan niveles de excitación.
   

Banda de valencia

Es la zona en que los electrones se encuentran semilibres.

Banda de conducción

Es la zona donde los electrones se encuentran con la suficiente energía como para moverse libremente en una estructura cristalina.

Banda prohibida

Zona cerrada al paso libre de los electrones entre las bandas de conducción y de valencia.

Para que los electrones de la banda de valencia puedan servir como portadores deben pasar a la banda de conducción, ello implica entregarles una cierta cantidad de energía, que puede tener la forma de calor, luz, radiaciones, etc. La magnitud de dicha energía es igual a la altura de la banda prohibida. Se mide en eV. (1 eV = 1,6 х 10¹⁹ Joules)

Conductores

El cobre es un buen conductor eléctrico, la razón es evidente si se tiene en cuenta su estructura atómica. El núcleo o centro del átomo contiene 29 protones (cargas positivas). Cuando un átomo de cobre tiene una carga neutra, 29 electrones (cargas negativas) se disponen alrededor del núcleo, los electrones en distintos orbitales, llamados “capas o niveles de energía”

La parte interna

En la electrónica, lo único que importa es el orbital exterior, el cual se denomina orbital de valencia. Es este orbital exterior el que determina las propiedades eléctricas del átomo.

Electrón libre

Como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte interna del átomo, una fuerza externa puede arrancar fácilmente este electrón, al que se conoce como electrón libre y por eso mismo, el cobre es un buen conductor. Incluso la tensión o fuerza mas débil puede hacer que los electrones libres de un conductor se muevan de un átomo al siguiente.

         Los mejores conductores son: El Oro, la Plata, el Cobre, el Eridio, etc.

Ejercicio

Supongamos que una fuerza exterior arranca el electrón de valencia de un átomo de cobre.

         ¿Cuál es la carga resultante del átomo de cobre?

         ¿Y sin un electrón exterior entra en la orbital de valencia de la figura anterior(Fig. 6)?

Solución

Cuando un electrón de valencia se va, la carga resultante del átomo es de +1. Si un átomo neutro pierde uno o mas electrones se convierte en un átomo cargado positivamente, que recibe el nombre de Ion positivo.

Cuando un electrón exterior entra dentro del orbital de valencia, la carga resultante del átomo es igual a –1. Si un átomo tiene un electrón extra en la orbital de valencia, llamamos al átomo que cargado negativamente, Ion negativo.

Semiconductores

Los mejores conductores (Plata, Cobre, Oro) tienen un electrón de valencia mientras que los mejores aislantes poseen ocho electrones de valencia. Un semiconductor es un elemento con propiedades eléctricas entre las de un conductor y las de un aislante (Germanio – Silicio)

Un átomo de Silicio tiene 14 protones y 14 electrones. En el primer orbital posee 2 electrones  y el segundo 8 electrones. Los 4 electrones restantes se encuentran en el orbital de valencia, como lo indica la figura 5, la parte interna tiene una carga resultante de + 4 porque contiene 14 protones en el núcleo y 10 electrones en los dos primeros orbitales.

Los 4 electrones de valencia nos indica que el silicio es un semiconductor.

Ejercicio

¿Cuál es la carga resultante del átomo de silicio si pierde uno de los electrones de valencia?

¿Y si gana un electrón extra ene le orbital de valencia?

Solución

Si pierde un electrón de valencia, se convierte en un Ion positivo, con carga +1.

Si el átomo de silicio gana un electrón de valencia extra, se transforma en un Ion negativo –1.

Cristales de silicio

Cuando los átomos de silicio se combinan para formar un sólido, lo hacen en una estructura ordenada llamada cristal. Cada átomo de silicio (Si) comparte sus electrones de valencia con los átomos de silicio vecinos de tal manera que suman 8 electrones en el orbital de valencia.

Enlaces covalentes

Cada átomo vecino comparte un electrón con el átomo central, de esta forma el átomo central parece tener cuatro electrones adicionales, sumando un total de ocho electrones en su orbital de valencia. En realidad, los electrones dejan de pertenecer a un solo átomo, ya que cada átomo central y sus vecinos comparten electrones y así sucesivamente dentro de la estructura cristalina.

Saturación de valencia

Cada átomo en un cristal de silicio tiene ocho electrones en su orbital de valencia. Estos ocho electrones producen una estabilidad química que da como resultado un cuerpo compacto de material de silicio. Nadie esta seguro porqué el orbital exterior de todos los elementos tiene una predisposición a tener ocho electrones. Cuando no existen ocho electrones de forma natural en un elemento este tiende a combinarse y compartir electrones con otros átomos vecinos con el fin de obtener ocho electrones en el orbital exterior, estableciendo con ello una estructura compacta.

         Establecimos como ley:

Saturacion de valencia = 8

         Dicho de otro modo, el orbital de valencia no puede soportar mas de ocho electrones. Un cristal de silicio es casi un aislante perfecto a temperatura ambiente

(aprox. 25º C )

Semiconductores Intrínsecos

Un semiconductor intrínseco es un semiconductor puro. Un cristal de Si o Ge es un semiconductor intrínseco si cada átomo del cristal es un átomo de la misma especie. A temperatura ambiente, un cristal puro de Si o Ge se comporta mas o menos como un aislante ya que tiene solamente unos cuantos electrones libres y sus huecos correspondientes, producidos por la energía térmica que posee dicho cristal.

Dos tipos de semiconductores extrínsecos

Un semiconductor se puede dopar para que tenga un exceso de electrones libres o un exceso de huecos. Debido a ello existen dos tipos de semiconductores dopados.

Semiconductor extrínseco del tipo N

Al silicio o germanio que ha sido dopado con una impureza pentavalente se llama semiconductor extrínseco tipo N, donde N hace referencia a negativo. En un semiconductor extrínseco del tipo N como los electrones superan a los huecos reciben estos el nombre de portadores mayoritarios, mientras que los huecos reciben el nombre de portadores minoritarios.(Fig. 9)

Semiconductor extrínseco del tipo P

El silicio o germanio que ha sido dopado con impurezas trivalentes se llama semiconductor extrínseco tipo P, donde P hace referencia a positivo. Como el numero de huecos supera a los electrones libres, los huecos reciben el nombre de portadores mayoritarios y los electrones se les denomina portadores minoritarios.(Fig. 10 )

Características de la unión pn

(El diodo no polarizado) Por si mismo un cristal semiconductor del tipo P o N tiene la misma utilidad que una resistencia de carbón; Pero ocurre algo nuevo cuando un fabricante dopa un cristal de la forma que una parte sea tipo P y la otra sea tipo N. La separación o frontera física de esta se llama unión pn. La unión pn tiene propiedades tan útiles que ha propiciado toda clase de inventos, entre los que se encuentran los diodos, transistores y circuitos integrados.(Fig.11)

         Comprender la unión pn permite entender toda clase de dispositivos fabricados con

semiconductores.

En el cristal pn se va a producir una difusión de portadores mayoritarios en ambas zonas. Los electrones de la zona N pasaran a la zona p y los huecos de la zona P pasaran a la zona n cruzando la unión. Esta difusión se produce debido a que los electrones tienden a llenar los huecos adyacentes a la unión, dejando a su vez una zona de huecos en la posición original, la difusión se manifiesta en los lados adyacentes de la frontera y se denomina zona de transición.
(Fig. 12)

Debido al proceso de difusión, se produce una concentración de cargas opuestas a ambos lados de la unión, cargas negativas en la zona P y cargas positivas en la zona N, siendo cerca de la unión, mayor la concentración de cargas opuestas.

         Por la concentración de cargas opuestas se genera un campo eléctrico y una diferencia de potencial que se conoce como barrera de potencial.

         La barrera de potencial detiene el proceso de difusión de portadores. La carga negativa concentrada rechazará a los electrones que intenten pasar, los cuales no tendrán la suficiente energía para saltar la barrera.(Fig. 13)

         El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada barrera de potencial. La barrera de potencial es del orden de los (mV) y dependerá de los valores de temperatura y de la naturaleza del cristal.

         La barrera de potencial es aproximadamente de 0,3 V para diodos de Germanio y de 0,7 V para diodos de Silicio

Polarización directa:

Se ve una fuente de corriente continua conectada a un diodo. El terminal negativo de la fuente esta conectado al material tipo n y el terminal positivo al material tipo p. Esta  conexión se llama polarización directa. En este caso existe una inyección de portadores mayoritarios por la diferencia de potencial aplicada, con lo cual se reduce la barrera de potencial y se produce la conducción. (flujo de electrones) (Fig. 14)

Polarización inversa:

Si se invierte la polaridad de la fuente de continua, entonces el diodo quedara polarizado en inversa. Al revés de la situación anterior, los portadores mayoritarios son atraídos por el potencial contrario aplicado en sus extremos, lo cual hace que aumente el potencial de barrera; por lo tanto, los electrones no tendrán la suficiente energía para atravesar la barrera y la corriente será prácticamente nula. Esta conexión se denomina polarización inversa.(Fig. 15)

Los fenómenos anteriormente mencionados corresponden al funcionamiento de un diodo de “unión” cuyo símbolo se muestra a continuación:(Fig. 16)

La barrera de potencial y la temperatura

La temperatura de la unión es la temperatura dentro del diodo, exactamente en la unión pn. La temperatura ambiente es diferente, es la temperatura del aire fuera del diodo. Cuando el diodo esta conduciendo, la temperatura de la unión es mas alta que la temperatura ambiente a causa del calor creado en la recombinación. La barrera de potencial depende de la temperatura creada en la unión. Un incremento en la temperatura de la unión crea mas electrones libres y huecos, que se difunden en la zona de deplexion. Esta se estrecha lo que significa que hay menos barrera de potencial a temperaturas altas en la unión.

         Matemáticamente definimos:

 La variación de tensión por el cambio de temperatura.

Ahora podemos establecer una regla para estimar el cambio en la barrera de potencial, como una derivación:

(- 2 mV /º C)

Con esto podemos calcular la barrera de potencial a cualquier temperatura de la unión.

Ejercicio

Suponiendo una barrera de potencial es de 0,7 V a una temperatura de 25º C

¿Cuál es la barrera de potencial en un diodo de silicio cuando la temperatura de la unión es de 100º C?

¿Cuál es la barrera de potencial en un diodo de silicio cuando la temperatura de la unión es de 0º C?

Solución

Cuando la temperatura de la unión es de 100º C, el cambio en la barrera de potencial es:

∆V= (-2mV/ºC)∆T= (-2mV/ºC)(100 ºC ̶  25 ºC) = ̶  150 mV

Esto nos dice que la barrera de potencial decrece 150 mV desde su valor de temperatura ambiente, por lo tanto:

V_B =0,7 V ̶  0,15 V =0,55 V

 Cuando la temperatura de la unión es de 0º C, el cambio en la barrera de potencial es: 

∆V= (-2mV/ºC)∆T= (-2mV/ºC)(0 ºC ̶  25 ºC) = 50 mV

Lo que quiere decir que la barrera de potencial crece 50 mV desde su valor a temperatura ambiente, por lo tanto.

V_B =0,7 V +0,05 V =0,75 V

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Gráfica de un diodo

Una resistencia es un dispositivo lineal ya que su grafica de la corriente en función de su tensión es una línea recta. Un diodo es diferente, es un dispositivo no lineal ya que su grafica de trabajo no es una recta. Esto se debe a su barrera de potencial, cuando la tensión del diodo es menor al valor de la barrera de potencial la corriente de diodo es pequeña; si la tensión del diodo incrementa el valor por sobre el valor de la barrera de potencial, la corriente de trabajo del diodo se incrementa rápidamente.(Fig. 17)

En la zona directa la tensión en la cual la corriente empieza a incrementarse rapidamente se denomina tensión de umbral (V_k) es igual al valor de la barrera de potencial. Definimos la tensión de umbral del diodo de silicio de la siguiente forma