Comprensión de los semiconductores
¿Qué son conductores y no conductores?
Cuando se habla del “flujo” de electricidad (corriente eléctrica), existen dos clases principales de materiales, a saber: conductores y no conductores (también llamados aislantes). Los conductores conducirán la electricidad libremente, mientras que los no conductores actúan como aislantes impidiendo el flujo de una corriente eléctrica.
Conductores
Una corriente eléctrica está formada por el flujo de electrones. Esto significa que para que fluya una corriente, los electrones deben moverse libremente (o casi) a través del material.
Pero no cualquier electrón de un átomo determinado puede moverse. Sólo el electrón o los electrones en la última órbita, bajo ciertas condiciones, tienen esta posibilidad.
En la figura 1 (átomo de cobre), hay un solo electrón en la última órbita, llamado electrón de valencia, que, bajo ciertas condiciones, puede escapar de esta capa y quedar libre.
Esta es una característica de los conductores (como el cobre), que pueden tener de 1 a 3 electrones de valencia en su última órbita.
Pero estos electrones libres sólo fluirán a través de un conductor si hay algo externo que estimule su movimiento, de lo contrario este movimiento puede ser aleatorio.
Para que los electrones se muevan en una determinada dirección es necesario aplicar un potencial de voltaje positivo (ddp) al material, luego estos "electrones libres" abandonan su átomo original y viajan juntos a través del material, formando un flujo de electrones, conocido como corriente. eléctrico.
Generalmente, los metales son ejemplos de buenos conductores, como el cobre, el aluminio, la plata y varios otros materiales que también conducen en diversos grados.
Semiconductores - Conceptos
Módulo 6
que son los conductores
que son los aislantes
Par electrón-agujero
Añadiendo impurezas - Dopaje
Capítulo 4
Condensadores
Conceptos básicos
Definición de condensador
Como funciona un capacitor
Símbolo del condensador
Capacidad
Tipos de condensadores
Condensadores electrolíticos
Condensadores cerámicos y de disco.
Poliéster y tantalio
Cómo identificar los valores de los condensadores
Código de color del condensador
Condensadores SMD
Código SMD para condensador de tantalio
Código de condensadores electrolíticos SMD.
No conductores o aislantes
Los aisladores, por otro lado, son exactamente lo opuesto a los conductores.
Están hechos de materiales, generalmente no metálicos, que tienen muy pocos o ningún "electrón libre" dentro de su estructura básica de átomos.
La Figura 2 muestra un átomo de neón que, debido a que su última capa está completa con 8 electrones, no puede recibir ni donar electrones. Por tanto, no hay movimiento de electrones y este elemento se comporta como un aislante.
Los aislantes utilizados en la vida cotidiana no son elementos químicos aislados, sino materiales compuestos como la mayoría de los plásticos, cerámicas, vidrio, caucho, etc., que son excelentes aislantes.
En resumen, la característica básica de un material aislante es que, incluso cuando se aplica una diferencia de potencial a través de ese material, muy pocos electrones se moverán y fluirá muy poca o ninguna corriente.
Semiconductores
Como sugiere el nombre, un semiconductor no es ni un verdadero conductor ni un aislante, sino un punto intermedio entre ambos. Varios materiales exhiben esta propiedad e incluyen Germanio (Ge), Silicio (Si), entre otros.
Los átomos con estas características, tienen 4 electrones libres o de valencia, suelen unirse formando una red cristalina.
Así se encuentra, por ejemplo, el silicio como material sólido.
Este tipo de enlace, aunque le da estabilidad química al Silicio, por ejemplo, convierte al Silicio puro en un aislante.
La figura 3 representa un átomo de Silicio y uno de Germanio, fíjate que la última capa, en ambos, tiene 4 electrones.
par electrón-hueco
Si hay un aumento de temperatura, en una estructura de átomos de Silicio, por ejemplo, los electrones de valencia pueden “saltar” de su órbita. Inmediatamente se forma un hueco donde estaba este electrón, figura 4.
Resulta que, en cuanto estos electrones “saltan”, también pierden energía, y luego regresan a uno de estos huecos, dejado por otro electrón.
El par “electrón que sale, se forma un hueco” se llama par “electrón-hueco”.
En condiciones normales, este movimiento es completamente aleatorio, a menos que exista una condición externa, como una corriente eléctrica.
Añadiendo impurezas - Dopaje
Como se ve, los semiconductores no son buenos conductores, pero sus propiedades cambian de manera muy significativa al agregar cantidades muy pequeñas de otros elementos, llamados impurezas.
La conductividad del silicio, por ejemplo, se puede aumentar y controlar drásticamente añadiendo impurezas a este semiconductor.
Se pueden agregar dos tipos de materiales “tipo n” y “tipo p”
Este proceso de añadir átomos, que pueden ser donadores o aceptores de electrones, a átomos semiconductores se llama dopaje.
Tipos de semicondutores
Semicondutor Tipo-N
Para que o cristal de silício, por exemplo, conduza eletricidade, precisamos introduzir um átomo de impureza como Arsênio, Antimônio ou Fósforo na estrutura cristalina.
Esses átomos têm cinco elétrons externos em sua órbita mais externa para compartilhar com átomos vizinhos e são comumente chamados de impurezas “penta valentes”,
figura 5.
Isso permite que quatro dos cinco elétrons orbitais se unam aos átomos de silício vizinhos, deixando um "elétron livre" para se tornar móvel (fluxo de elétrons) quando uma tensão elétrica é aplicada.
Como cada átomo de impureza “doa” um elétron, os átomos “penta valentes” são geralmente conhecidos como “doadores”.
O material básico de semicondutor resultante tem um excesso de elétrons que transportam corrente, cada um com uma carga negativa, e é, portanto, referido como um semicondutor tipo N.
A figura 5 mostra estrutura de um semicondutor Tipo-N, adicionando-se um átomo de antimônio (impureza) como doador.
Semiconductor tipo P
En este caso introducimos en la estructura cristalina una impureza “Trivalente” (3 electrones), como el Aluminio, el Boro o el Indio, que sólo tienen tres electrones de valencia disponibles en su órbita más externa.
De esta forma no se puede formar un cuarto enlace, como se muestra en la figura 6.
Por lo tanto, no es posible una conexión completa, lo que le da al material semiconductor una gran cantidad de portadores cargados positivamente conocidos como agujeros en la red cristalina donde los electrones están efectivamente ausentes, figura 6.
Como ahora hay un agujero en el cristal de silicio, un electrón vecino se siente atraído hacia él e intentará entrar en el agujero para llenarlo. Sin embargo, el electrón que llena el agujero deja otro agujero detrás de él a medida que se mueve, y así sucesivamente, dando la apariencia de que los agujeros se mueven como una carga positiva a través de la red cristalina, creando un flujo de corriente.
El boro (símbolo B) se utiliza comúnmente como aditivo trivalente, ya que tiene sólo cinco electrones dispuestos en tres capas alrededor de su núcleo, y el orbital más externo tiene sólo tres electrones.
El dopaje de átomos de boro hace que la conducción esté compuesta principalmente por portadores de carga positiva, lo que da como resultado un semiconductor tipo P.
