Semiconductores

CONDUCTORES Y AISLANTES

La corriente eléctrica es el movimiento de los electrones.

 

Los electrones se mueven porque en los materiales hay electrones “libres”, es decir, que tienen la capacidad de desplazarse. Los materiales en los que hay electrones libres se les conoce como conductores.

 

Un átomo tiene electrones que se distribuyen en capas. Pero los electrones libres sólo se encuentran en la última capa, la más exterior. En el dibujo inferior es el tercer nivel. Se llaman electrones de valencia. Así que para que sea conductor, un átomo necesita electrones de valencia libres.

 

valencia

 

Si la materia no tiene electrones libres, tenemos los aislantes.

 

 ¿Y por qué son electrones libres?. Porque son electrones que no se utilizan para formar uniones con otros átomos, es decir, no se usan para formar moléculas.

 

¿Cómo sabemos los electrones de valencia de un elemento químico?. Con la Tabla Periódica.

 

tabla p

 

SEMICONDUCTORES

 

Existen materiales que en condiciones normales son aislantes, pero que con modificaciones a nivel molecular se pueden convertir en conductores.

 

Para que circule corriente eléctrica, se necesitan electrones libres en las últimas órbitas que se puedan mover. En los semiconductores, estos electrones se libran de forma artificial. Y por tanto tendremos conductores.

 

Ejemplos de estos materiales son el Silicio, el Germanio y el Selenio.

 

¿Cómo conseguimos que sean conductores?. Introduciendo en el material otras sustancias determinadas distintas.

 

Habitualmente se explica con el Silicio (Si).

 

silicio   Piedras de Silicio.

 

El Silicio tiene 4 electrones de valencia. Si recordamos, ésto quiere decir que en la órbita exterior hay 4 electrones.

 

Para que un átomo sea estable, necesita 8 electrones de valencia. Pero el Silicio tiene 4. ¿Cómo logra la estabilidad?. Pues busca electrones en otros átomos que estén cerca, así forman una molécula.

 

Hasta aquí todo normal, los átomos comparten electrones y quedan unidos. Se conoce como enlace covalente.

 

Sin embargo, para lograr la estabilidad, no puede compartir los 4 electrones a la vez con un único átomo. Así que tendrá que buscar 4 átomos, de Silicio. Con cada uno comparte un electrón. Como se muestra en el dibujo.

 

covalente

 

Así que en un enlace covalente, los átomos comparten electrones para lograr estabilidad, formando moléculas. Cuando es estable, es aislante, pues no hay electrones libres y no hay corriente eléctrica.

 

IMPUREZAS

 

¿Tienen todos los elementos justamente 4 electrones de valencia?

 

No, por ejemplo hay elementos que tienen 5 (antimonio, arsénico, fósforo). Otros tienen 3 electrones de valencia (aluminio, boro, indio, galio).

 

¿Podría suceder que nuestro Silicio compartiera un electrón con algún elemento de estos?.

 

Sí. Se realiza de forma artificial y se conoce como impureza.

 

 SEMICONDUCTOR TIPO N

 

Supongamos que uno el Silicio con el Fósforo. El Fósforo tiene 5 electrones libres. El Si tenía 4.

 

  1. Un electrón del Fósforo se une con un electrón del Silicio.
  2. Otro electrón del Fósforo se unirá con un electrón de otro átomo de Silicio (puesto que no puede unirse de nuevo con el fósforo).
  3. Un tercer electrón del Fósforo se unirá con un electrón de otro átomo de Silicio
  4. Un cuarto electron del Fósforo se unirá con un electrón de otro átomo de Silicio.
  5. Y un quinto electrón del Fósforo… queda libre. No tiene posibilidad de unirse con el Silicio, puesto que el Silicio buscará Silicio para unirse.

Al añadir al Silicio el Fósforo, hemos conseguido un electrón de valencia suelto, libre. Y si está libre, puede circular corriente eléctrica.

 

n

 

Cuando añadimos al Silicio un material con 5 electrones de valencia, tenemos Silicio Tipo N.

 

SEMICONDUCTOR TIPO P

Unimos Silicio con Boro. Silicio, tiene 4 electrones de valencia. El Boro, tiene 3.

 

  1. Un electrón del Boro se une con un electrón del Silicio.
  2. Otro electrón del Boro se une con un electrón de un átomo distinto del Silicio.
  3. Un tercer electrón del Boro se une un electrón de otro átomo de Silicio.
  4. Y habrá un átomo de Silicio que se va a quedar sin poder compartir un electrón.

Ese átomo del Silicio que se ha quedado sin poder compartir un electrón, simula que lo comparte, pero en realidad no lo hace.

 

Decimos que el Boro tiene un hueco.

 

p

 

¿Qué es un hueco?. Pues aquí llega la dificultad.

 

Un hueco es una carga positiva. Con las mismas propiedades que el electrón, pero su carga es positiva.

 

Si el hueco se mueve, pues también tenemos corriente eléctrica.

 

Así que ahora, sobrará un hueco, así que puede circular corriente.

 

Cuando añadimos al Silicio un material con 3 electrones de valencia, tenemos Silicio Tipo P.

 

EL DIODO

El diodo es el ejemplo más sencillo de semiconductores.

 

Se forma al juntar un semiconductor tipo N con un semiconductor tipo P.

 

Un semiconductor tipo N tiene un exceso de electrones libres.

 

Un semiconductor tipo P tiene un defecto de electrones, o exceso de huecos libres, es decir, tiene carga positiva.

 

diodoDiodo: unión P-N

 

Podríamos pensar, que si juntamos un elemento con exceso de carga negativa (Tipo N), y un elemento con exceso de carga positiva (Tipo P), ambos elementos se produciría una corriente eléctrica de la parte negativa a la positiva que anulase todo. Sería lo lógico, pero no es lo que sucede.

En la zona de unión P-N aparece una barrera de repulsión, una tensión lo suficientemente grande para que no haya corriente eléctrica.

p-n

POLARIZACIÓN INVERSA DEL DIODO

En la unión anterior, evidentemente, la parte izquierda tiene una carga negativa y la derecha positiva.

Si colocamos una pila en sus extremos, de tal forma que el borne negatvo se aplique directamente al Tipo P y el  positivo al Tipo N, tenemos la llamada polarización inversa del diodo.

directa

Lo que sucederá aquí es que los electrones libres del semiconductor N se sentirán atraídos por el polo positivo de la batería, y los huecos por el polo negativo, por lo que se crea un vacío en la unión P-N que hace que no circule corriente a través del mismo.

De todas formas, siempre circulará una pequeña corriente de fuga que ya hemos apreciado en la práctica del diodo, y que se llama corriente inversa del diodo.

POLARIZACIÓN DIRECTA DEL DIODO

Conectamos ahora la pila de manera que el polo positivo coincida con el semiconductor Tipo P y el polo negativo haga lo propio con el Tipo N.

Del borne negativo salen electrones que se juntarán a los del semiconductor N. Dicho polo repele además a los electrones libres del semiconductor N, empujándolos hacia el P.

Ahora la tensión es suficiente para vencer la barrera de potencial entre semiconductores , por eso los electrones son capaces de saltar hacia el semiconductor P.

Se produce una neutralización de electrones con los huecos del tipo P. Los electrones caen en los huecos y se convierten en electrones libres. Como son libres, seguirán su movimiento atraídos hacia el polo positivo de la pila.

Se ha logrado que circule corriente, y tenemos así un diodo.

inversa

 

TRANSISTORES

La primera aplicacion de los semiconductores fueron los transistores.

 

Su invención se debe a John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley en el año 1947.

bbs

Su invención tiene polémica, puesto que hubo problemas entre ellos por la autoría del hallazgo. Finalmente, todos conseguirían el Nobel de Física.

 

Hablaremos de los transistores en su práctica correspondiente.

 primer_transistorPrimer Transistor

Los transistores más sencillos son los conocidos como bipolares: de unión N-P-N o de unión P-N-P.

npnSímbolo NPN

pnpSímbolo PNP

El funcionamiento de un transistor NPN viene descrito paso a paso en la  Práctica número 13.

Los transistores tienen tres terminales de conexión y se encuentran en el interior de un encapsulado.

transistores

Próximamente, publicaremos más sobre el tema.

4 Comentarios a “Semiconductores”

27 02 2010
fernando (05:59:20) :

exelente muy bien explicado gracias

7 05 2010
juan carmona (21:50:14) :

bien

4 10 2010
ric (15:39:14) :

buenisimo trabajo me ayudo mucho

21 11 2010
rosa iris (17:04:08) :

guau realmente muy bueno, tan bueno ke solo con leerlo captas y no requeires estudiarlo repasarlo para entenderlo

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