semiconductores fisica

8/9/2019 Semiconductores fisica

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Universidad Nacional Autnoma de MxicoCCH Vallejo

Semiconductores y Circuitos Integrados

Marian Martnez Gmez


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Semiconductores

La tecnologa del estado slido ha remplazado por completo a los tubos alvaco, en casi todas las aplicaciones de alta especializacin. Esto ha sido

posible a causa de las caractersticas singulares de los semiconductores.Estos materiales estn conformados por unos cuantos elementos ycompuestos que en realidad no son aisladores elctricos, pero que tampocopresentan el grado extremadamente alto de conductividad que caracteriza a losverdaderos conductores.

A qu se debe que un material sea conductor?Los electrones externos de un tomo, conocidos como electrones devalencia, estn unidos al tomo ms dbilmente que los electrones ubicadosms cerca del ncleo. En un conductor, la unin correspondiente es bastantedbil en realidad, y en el estado slido, muchos de esos electrones consiguen

escapar de los tomos y se mueven libremente a travs del slido. Por estarazn se le llaman electrones libres. Cuando se usa una batera o cualquierotro medio que cause una diferencia de potencial a travs del slido, estoselectrones libres son atrados hacia el potencial positivo y se produce unacorriente elctrica.

Los aisladores, como el caucho y el vidrio, se comportan precisamente en laforma contraria. En ellos, los electrones de valencia externos estn fuertementeunidos a los tomos y no se pueden mover libremente a travs del slido. Amenos que se aplique un voltaje extremadamente alto a un aislador, no fluircorriente a travs de l.

Los semiconductores tienen un comportamiento intermedio entre losconductores y los aisladores. Sus electrones de valencia no se encuentran tanlibres como en el caso de un conductor, pero tampoco estn tan unidos comosucede con un aislador. En el semiconductor, los electrones de valencia soncompartidos en realidad por los tomos. Este proceso se conoce como enlacecovalente y es el causante de muchas de las propiedades de lossemiconductores.


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En esta imagen se muestra la forma en que los tomos de hidrgenocomparten los electrones en la molcula de H2. El enlace covalente permiteque los electrones se muevan de un tomo a otro, aunque sin una libertadcompleta.

Otra forma de percibir la diferencia entre conductores, aisladores ysemiconductores es por la teora de banda de energa. Puesto que loselectrones pueden ocupar un nmero discreto de niveles de energa, puedentener solamente aquellas energas que caen dentro de las bandas permitidas.La banda de energa en la que los electrones de valencia se muevennormalmente se conoce como banda de valencia. Los electrones que sepueden mover con libertad y que conducen la corriente se encuentran en labanda de conduccin.

Las bandas de conduccin y de valencia se traslapan en los conductores, estnmuy separados en los aisladores y se encuentran separadas por una estrechabanda de energa de semiconductores. En el caso de los conductores, eltraslape favorece que los electrones se muevan en la banda de conduccin. Enlos aisladores, la gran separacin casi siempre les impide que se muevan, y enlos semiconductores, la pequea separacin hace que sea relativamente fcilmoverse.

Analicemos a un verdadero semiconductor. Debido a su amplia disponibilidad ysus caractersticas, el silicio es el semiconductor ms comnmente utilizado.

+1

+1

-1

-1

Enlace covalente de dostomos de hidrgeno


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En su estado natural el silicio es un cristal. Esto significa que, es un trozo desilicio, los tomos se localizan en puntos especficos en una red ordenada.

En esta imagen se muestra un diagrama de la red de silicio. Hay cuatro

electrones de valencia rodeando a cada tomo. Es un cristal perfecto, cada unode estos electrones estara compartido con un tomo vecino. El cristal sera unaislador porque no habra electrones disponibles para que fluyera la corriente.Sin embargo, cualquier imperfeccin har que el silicio conduzca ciertacantidad de corriente.Las impurezas ms comunes se presentan cuando se coloca en un tomo deotra sustancia en uno de los puntos de la red cristalina que normalmenteestara ocupado por un tomo de silicio. Existen dos tipos de impurezasimportantes: los donadores tipo N y los aceptores tipo P.

Semiconductores tipos N y P

Cuando un tomo de impureza tiene ms de los cuatro electrones de valenciaque requiere para emparejarse con el vecino tomo de silicio, los electronesadicionales no tiene una clase covalente y pueden moverse libremente. Por lotantota impureza puede donar electrones con carga negativa al cristal. Estoexplica el nombre del donador y de tipo N (por negativo).

En un semiconductor tipo N,un tomo de impureza se haincorporado a la estructura desilicio y dona un electrnadicional


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El material semiconductor de tipo N comercial se fabrica aadiendo a un cristalde silicio pequeas cantidades controladas de una impureza seleccionad. A lasimpurezas que se agregan en forma intencional se les denominacontaminantes. Entre los contaminantes tipo N de uso comn podemosmencionas el fsforo, el arsnico, y el antimonio. Cada uno de ellos tiene cinco

electrones de valencia y, por lo tanto, le proporciona un electrn libre al cristal.El silicio tipo P se produce tambin comercialmente por el proceso decontaminacin. En este caso el contaminante tiene un electrn de valenciamenos que el silicio. Por lo tanto, los contaminantes tipo P tienen treselectrones de valencia y entre los ms comunes se puede mencionar elaluminio, el boro el galio y el indio. Cualquiera de estos contaminantes permitefabricar un semiconductor.

Cuando son atrados por medio de un potencial positivo, los electronescercanos a los huecos vecinos pueden saltar y ocupar sus huecos. Cada vezque un electrn se mueve a una direccin, el hueco se mueve en direccincontraria a la del tomo de la cual provena el electrn. De este modo elmovimiento de los electrones en una direccin dada provoca el movimiento delos huecos en la contraria. Puesto que las cargas negativas y positivas siemprese comportan en forma opuesta, justamente parece que los huecos son cargas

positivas y que la corriente se puede considerar como un movimiento de cargaspositivas (los huecos).

En un semiconductor ytipo P, la ausencia deun electrn devalencia produce un

huevo electrnico.


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Unin PN

De la combinacin de materiales del tipo P y de tipo N se obtienen algunosefectos interesantes. El ms elemental es la formacin de unin NP al colocar

una capa de material tipo P en contacto con otra de material tipo N. En elmomento en que se ponen en contacto los dos semiconductores, algunos delos electrones libres del material del tipo N saltan a travs de la superficie decontacto y llenan algunos de los huecos del material P. Esto deja una delgadacapa de iones cargados positivamente a lo largo de la unin del material N.Estos iones positivos son tomos que han perdido un electrn. En formaanloga, los tomos del material tipo P que han adquirido electrones formanuna capa de iones negativos. Una vez que han formado estas capas, los ionesnegativos repelen a los otros electrones, evitando que salten ms electrones ylos iones positivos evitan que otros huecos salten.En este estado la unin PN es bastante estable. Sin embargo, la situacin

cambia cuando se conecta una batera a travs de la unin. Primeros e vercuando se conecta la batera de modo que su terminal negativo corresponda allado P de la unin y su terminal positivo de conecte al lado N.

Entonces los huecos positivos en el material tipo P se mueven hacia elpotencial negativo de la batera, y los electrones negativos se dirigen hacia elpotencial positivo de la batera. El resultado es que tanto los huecos como loselectrones se alejan de la unin y que no fluye ninguna corriente a travs dedicha unin. Cuando la conexin se hace en esta forma, se dice que la unintiene polarizacin inversa.


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Si la batera se conecta a travs de la unin en direccin opuesta, el positivo allado P y el negativo al lado N, el comportamiento es muy diferente. Loselectrones de los tomos donadores en el material tipo N son atrados alpotencial positivo y fluyen hacia la unin. Los huecos fluyen hacia la unin endireccin opuesta hacia el potencial negativo. En resumen, hay un flujo de

corriente. Este tipo de conexin se le llama polarizacin directa de la unin. Eldispositivo semiconductor que hemos analizado se comporta en la mismaforma que el ms sencillo tubo al vaco, esto permite que la corriente fluya enun solo sentido. Debido a esta similitud, tambin se conoce como un diodo.

Las ventajas importantes que presenta un diodo semiconductor sobre suantecesor, el tubo al vaco, con compartidas pos todos los dispositivosfabricados con materiales semiconductores. Son componentes pequeos, suoperacin no requiere alto voltaje y son ms durables.El dioso semiconductor tambin muestra otra caracterstica interesante. Noobedece la ley de Ohm. Esto se debe a que la resistencia del diodo no esconstante, ya que vara segn el voltaje de la polarizacin aplicado.

Aplicaciones de DiodosYa hemos visto que un diodo de unin PN transmite corriente solo cuando esten polarizacin directa. Esto hace que represente una excelente opcin paraconvertir la corriente alterna en corriente continua (rectificacin)


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Con frecuencia, la salida de rectificador de media onda no es suficiente parasatisfacer las necesidades de una aplicacin especfica. En este caso esposible filtrar la salida del rectificador para aplanar las fluctuaciones y hacerque sea ms parecida a la salida continua de una batera. Un capacitor de filtromantiene la corriente a travs de la carga (RL) cuando el voltaje pulsatorio

decae. Con un capacitor grande, la constante de tiempo de descarga tambines grande y el voltaje de carga es lo suficientemente estable para usarlo enmltiples aplicaciones.El rectificador de media onda no es el nico medio de logar ese propsito. Esms comn un rectificador de puente, que utiliza cuatro diodos colocados.

La entrada de ca se conecta al puente de los puntos 1 y 3, y la carga de salidaen los puntos 2 y 4. Cuando el punto 1 es positivo y el punto 2 es negativo lacorriente fluye. La corriente que entra al puente en el punto 1 no puede pasar atravs del diodo D4, que tiene unin con polarizacin inversa, pero si puede

circular a travs del diodo D1, y lo hace. Luego deja el puente en el punto 2 ypasa a travs de la carga RL. La corriente vuelve entrar al puente en el punto 4donde se encuentra frente a dos trayectorias posibles. D4 sigue manteniendouna polarizacin inversa y no conduce, de modo que la corriente contina atravs de D3 y sale por el punto 3. Durante la otra mitad del ciclo, cuando seinvierte la polaridad a la entrada, la corriente fluye por la trayectoria utilizando elotro par de diodos D2 y D4, en forma anloga. De este modo el par de diodosque conducen se van alternando de acuerdo a las modificaciones en lapolaridad de entrada. Este tipo de rectificador se llama rectificador de ondacompleta debido a que se transmite toda la seal de entrada.


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Una desventaja muy apreciable del rectificador de onda completa es la forma

de su salida, en comparacin con la entrada ca y con la salida de unrectificador de media onda, el rectificador de onda completa no deja espaciosdonde la corriente de salida sea igual a cero. En cambio la corriente varacontinuamente, entre cero y su valor mximo, en la direccin de conduccin.Por lo tanto la salida requiere un grado mucho menos de aplanamiento de lasfluctuaciones (filtracin) para lograr que la corriente sea ms parecida a lasalida constante de una batera, y este dispositivo no desperdicia en realidadninguna de las mitades de la corriente procedente de la fuente.

El Transistor

Est formada por una capa de semiconductor tipo N colocada entre dos capasde semiconductor tipo P (llamado transistor PNP) o una capa de semiconductortipo P colocado entre dos capas de semiconductor tipo N (llamado transistorNPN). Este transistor fue inventado por Shockley Bardeen y Brattain en los BellLaboratories, en 1948 y desde entonces el campo de la electrnica se harevolucionado por completo.

Cuando los electrones se retiran de la base, hay una corriente de electrones

que proviene de la base. La corriente del emisor Ie se divide entre la corrientede la base Ib y la corriente del colector Ic. O sea


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El cambio de polarizacin no afecta la forma en que funcionan las uniones,pues simplemente reordena los materiales y sus propiedades. Durante elfuncionamiento del transistor la mayora de los huecos fluyen de la unin deemisor a la base y luego al colector.

Circuitos Integrados

Tan grande como la revolucin tecnolgica originada por el transistor en ladcada de los cincuentas y de los sesentas, es una nueva revolucin debida alcircuito integrado (CI). Estos dispositivos cambian numerosos elementos delcircuito (resistores, capacitares, transistores, diodos y otros) en delgadas capasde silicio ultrapuro. Cada CI representa un circuito completo de algn tipoparticular y los Cis se pueden combinar entre s y con otros dispositivossemiconductores para formar componentes en gran escala. Ellos tambin hanhecho posible fabricar ciertos dispositivos como microprocesadores, que por smismos, han creado una revolucin en la electrnica.El atributo ms evidente de los CI es su tamao increblemente pequeo. Un CItpico tiene una superficie total de 0.05in2 y aproximadamente un espesor de0.01in. Esta oblea puede contener miles de dispositivos separados, lo que seaprovecha para lograr mltiples y complejo propsitos. Se protege con unrecipiente que suele medir tan solo una fraccin pulgada en cualquier direccin.Aunque es notable, el tamao de los CI no es su nica ventaja sobre losdispositivos convencionales. En vista de que todo el circuito se fabrica al mismotiempo, es un dispositivo muy confiable, ms que ninguno de sus

procesadores. Esta caracterstica es invaluable en dispositivos tales comosistemas de guas de naves espaciales y marcapasos.Los dispositivos individuales que conforman el CI funcionan de acuerdo con losmismos principios que todos los dispositivos semiconductores que ya hemosestudiado. Sus diversas propiedades dependen de la unin PN y de la accintanto de los electrones como de huecos.La oblea de silicio que forma el CI se conoce como el sustrato y los dosprocesos que se emplean en su fabricacin son la difusin y el grabado. Ladifusin, como en la fabricacin de dispositivos dependientes de la unin, es lainyeccin controlada de impurezas apropiadas en el silicio. El grabadoelectroqumico consiste en el uso de cido fluorhdrico para eliminar materiales

de la superficie del sustrato a fin de exponer esa zona a un procesamientoposterior. Estos pasos se combinan con diversas etapas en las que se


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depositan materiales sobre el sustrato para elaborar las regiones necesariasdel tipo P o del tipo N para formar diodos, transistores y dispositivos afines.

Ahora se indicaran los pasos necesarios para crear un rea de silicio tipo P enel sustrato. El primer paso es la oxidacin de la parte superior de la superficie

de silicio para formar una delgada capa de xido de silicio. Esta capa de xidoes impermeable a la mayora de los contaminantes y sirve para aislar yproteger el sustrato.Despus de la capa de oxidacin se vuelve la capa fotorresistente. Elfotorresistor es un material que se vuelve resistente al cido cuando se exponea la luz ultravioleta. La exposicin de la luz ultravioleta cambia sus propiedadesqumicas de modo que las reas expuestas no puedan disolverse con cidos.La exposicin de la luz ultravioleta se realiza despus que el sustrato recubiertose tapa con una mscara. Este es un patrn opaco en las reas en las quefinalmente se difundirn las impurezas. Las mscaras se producenfotogrficamente al tomar una imagen del patrn apropiado y luego se reduce

al tamao de microminiatura necesaria para el CI.Despus de colocar la mscara y de llevar a cabo la exposicin, el materialfotorresistente expuesto se lava con un disolvente. Con esto se deja una capade xido de silicio expuesto que cubre el rea que se convertir en la regin detipo P. El ataque qumico con cido fluorhdrico elimina el xido y deja aldescubierto el sustrato de silicio. Las diferentes etapas de este proceso son lassiguientes:

a) La capa de silicio (sustrato) tiene xido de silicio en la superficie.b) Se aplica la pelcula fotorresistente a la superficie.c) Se aplica la fotomscara y se expone a la luz ultravioleta.d) Con un disolvente se elimina el fotorresistor que no fue expuesto a la luz

ultravioleta, dejando intactas las porciones que si fueron expuestas.e) El xido de silicio se elimina por ataque qumico con cido fluorhdrico

(HF)f) El fotorresistor de quita para que aparezca la capa de xido.g) La impureza tipo P se difunde en el sustrato para formar una regin tipo

P.


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El silicio puesto al descubierto se encuentra ya en condiciones de sercontaminado con la impureza deseada a fin de producir una regin tipo P en elsustrato. Si este mismo proceso se repite en un rea colindante que tenga unaimpureza tipo N, se obtendr una regin tipo P que bordea una regin tipo N yse crear una unin PN. La adicin de contactos metlicos en la porcin

superior de estas regiones produce un diodo semiconductor.

Se pueden utilizar procesos similares para fabricar todos los demscomponentes que es necesario incluir en el CI. La regin superior tipo N seforma mediante la difusin de una cantidad suficiente de contaminante(impureza) del tipo N en la regin tipo P recin formada, para convertirla en unaregin de tipo N en esa rea. El propsito de las dos regiones tipo N es aislar alresistor del sustrato y el resto del CI. La resistencia se controla ajustando lalongitud y el rea de seccin transversal de la regin conductora tipo P, y lacantidad de impureza que se difundi en la regin.La elaboracin de un capacitor es similar a la de un resistor. Una capaconductora difundida acta como una de las placas del capacitor, un contactometlico realiza la funcin de la otra placa, y la capa de xido que queda enmedio de ellas desempea el papel de un dielctrico.

Desde luego los CI no podran ser tan complejos si no se dispusiera de laposibilidad de utilizar transistores en su elaboracin. En los CI se pueden incluirdiversos tipos de transistores, y estos pueden colocarse en distintasconfiguraciones para producir diferentes arreglos.

P N

Ctodo nodo

Sustrato de Silicio

xido


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Los CI se fabrican a partir de obleas circulares de silicio, Cada rodaja es losuficientemente grande para producir con ella mucho CI. Despus de sufabricacin, los CI se prueban en forma individual y se descartan todos loscircuitos que resultan defectuosos.Entonces, se corta la oblea y los circuitos defectuosos se desechan. Puestoque se fabrican un gran nmero de circuitos a la vez, el CI es en realidad unode los dispositivos electrnicos ms baratos, ms pequeos y ms confiablesque se producen. Este hecho hace que los telfonos mviles, las pequeascomputadoras y los productos electrnicos de alta calidad sean tan baratos ytan ampliamente utilizados en la actualidad. El grado que es difcil imaginar adnde nos conducira la siguiente etapa del avance de la electrnica.

Informacin: Tippens, Paul E. Fsica: Conceptos y aplicaciones.

N PN+

Sustrato tipo P

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