E0:RESISTENCIAS SEMICONDUCTORAS

INFORME FINAL

1. Hacer una introducción teórica del fundamento de conducción de los semiconductores

MATERIALES SEMICONDUCTORES:

Los primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron pequeños detectores diodos empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocían como “de galena”. Ese nombre lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra de galena o sulfuro de plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado para sintonizar las emisoras de radio. La sintonización se obtenía moviendo una aguja que tenía dispuesta sobre la superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conocía que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas

Lugar que ocupan en la Tabla Periódica los trece elementos con. características de semiconductores, identificados con su correspondiente. número atómico y grupo al que  pertenecen. Los  que  aparecen  con  fondo.gris corresponden a “metales”, los de fondo verde a “metaloides” y los de. fondo azul a “no metales”.

Esos elementos semiconductores que aparecen dispuestos en la Tabla Periódica constituyen la materia prima principal, en especial el silicio (Si), para fabricar diodos detectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados y microprocesadores.

Los átomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco electrones en su última órbita, de acuerdo con el elemento específico al que pertenecen. No obstante, los elementos más utilizados por la industria electrónica, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), poseen solamente cuatro electrones en su última órbita. En este caso, el equilibrio eléctrico que proporciona la estructura molecular cristalina característica de esos átomos en estado puro no les permite ceder, ni captar electrones. Normalmente los átomos de los elementos semiconductores se unen formando enlaces covalentes y no permiten que la corriente eléctrica fluya a través de sus cuerpos cuando se les aplica una diferencia de potencial o corriente eléctrica. En esas condiciones, al no presentar conductividad eléctrica alguna, se comportan de forma similar a un material aislante.

TABLA DE ELEMENTOS SEMICONDUCTORES

Número Atómico

Nombre del Elemento

Grupo en la Tabla Periódica

CategoríaElectrones en la

última órbitaNúmeros de

valencia

48 Cd (Cadmio) IIa Metal 2 e- +2

5 B (Boro)

IIIa

Metaloide 3 e- +3

13 Al (Aluminio)

Metal31 Ga (Galio)

49 In (Indio)

14 Si (Silicio)IVa Metaloide

4 e- +4

32 Ge (Germanio)

15 P (Fósforo)

Va

No metal 5 e- +3, -3, +5

33 As (Arsénico)Metaloide

51 Sb (Antimonio)

16 S (Azufre)

VIaNo metal

6 e- +2, -2 +4, +6

34 Se (Selenio)

52 Te (Telurio) Metaloide

Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor

La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente también aumenta, disminuyendo la conductividad. Todo lo contrario ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad también aumenta.

En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los siguientes métodos:

Elevación de su temperatura Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina Incrementando la iluminación.

MATERIAL INTRINSECO

Se le llama así al cristal del semiconductor que es químicamente puro, y que además no presenta defectos en su red cristalina. A 0°k no existen portadores de carga libres, y el semiconductor se comporta como un aislante, pero al incrementarse la temperatura empiezan a generar pares electrón - hueco.

Estos pares electrón - hueco se generan al romperse los enlaces entre los átomos. Igualmente puede ocurrir aniquilaciones de pares electrón hueco cuando un electrón de la banda de conducción hace una transición a la banda de valencia y ocupa un estado vacío (hueco), este proceso es denominado recombinación.

En la siguiente figura se muestra lo descrito anteriormente con un modelo de enlace covalente para el silicio:

 

EL SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO 

En una muestra semiconductora de este tipo existen tanto electrones como huecos.

El incremento de temperatura hace que se rompan los enlaces y que los electrones vaguen libremente por toda la red cristalina.

 

MOVIMIENTO TÉRMICO

 

MATERIAL EXTRINSECO

Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o de germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas". 

Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última órbita [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corriente eléctrica.

En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el uso de la industria electrónica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente relativamente barato de obtener. La materia prima empleada para fabricar cristales semiconductores de silicio es la arena, uno de los materiales más abundantes en la naturaleza. En su forma industrial primaria el cristal de silicio tiene la forma de una oblea de muy poco grosor (entre 0,20 y 0,25 mm aproximadamente), pulida como un espejo.

A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea (wafer) o cristal semiconductor de. silicio pulida con brillo de espejo, destinada a la fabricación de transistores y circuitos. integrados. A la derecha aparece la

cuarta parte de la oblea conteniendo cientos de. minúsculos dados o “chips”, que se pueden obtener de cada una. Esos chips son los. que después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se convertirán en. transistores o circuitos integrados. Una vez que los chips se han convertido en. transistores o circuitos integrados serán desprendidos de la oblea y colocados dentro. de una cápsula protectora con sus correspondientes conectores externos.

El segundo elemento también utilizado como semiconductor, pero en menor proporción que el silicio, es el cristal de germanio (Ge).

Durante mucho tiempo se empleó también el selenio (S) para fabricar diodos semiconductores en forma de placas rectangulares, que combinadas y montadas en una especie de eje se empleaban para rectificar la corriente alterna y convertirla en directa. Hoy en día, además del silicio y el germanio, se emplean también combinaciones de otros elementos semiconductores presentes en la Tabla Periódica.

Placa individual de 2 x 2 cm de área, correspondiente a un antiguo diodo de selenio.

Entre esas combinaciones se encuentra la formada por el galio (Ga) y el arsénico (As) utilizada para obtener arseniuro de galio (GaAs), material destinado a la fabricación de diodos láser empleados como dispositivos de lectura en CDs de audio.

Lente (señalada con la flecha) detrás de la cual se encuentra instalado un diodo láser de arseniuro de galio (GaAs) empleado para leer datos de texto, presentaciones multimedia o música grabada en un CD. En esta ilustración el. CD se ha sustituido por un disco similar transparente de plástico común.

En el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en estado puro, es decir, como elementos intrínsecos, los electrones de su última órbita tienden a unirse formando "enlaces covalentes", para adoptar una estructura cristalina. Los átomos de cualquier elemento, independientemente de la cantidad de electrones que contengan en su última órbita, tratan siempre de completarla con un máximo de ocho, ya sea donándolos o aceptándolos, según el número de valencia que le corresponda a cada átomo en específico.

Con respecto a los elementos semiconductores, que poseen sólo cuatro electrones en su última órbita, sus átomos tienden a agruparse formando enlaces covalentes, compartiendo entre sí los cuatro electrones que cada uno posee, según la tendencia de completar ocho en su órbita externa. Al agruparse de esa forma para crear un cuerpo sólido, los átomos del elemento semiconductor adquieren una estructura cristalina, semejante a una celosía. En su estado puro, como ya se mencionó anteriormente, esa estructura no conduce la electricidad, por lo que esos cuerpos semiconductores se comportan como aislantes.

MECANISMO DE CONDUCCIÓN DE UN SEMICONDUCTOR

Cuando a un elemento semiconductor le aplicamos una diferencia de potencial o corriente eléctrica, se producen dos flujos contrapuestos: uno producido por el movimiento de electrones libres que saltan a la “banda de conducción” y otro por el movimiento de los huecos que quedan en la “banda de valencia” cuando los electrones saltan a la banda de conducción.

Cuando aplicamos una diferencia de potencial a un. elemento semiconductor, se establece una. “corriente de electrones” en un sentido y otra. “corriente de huecos” en sentido opuesto.

Si analizamos el movimiento que se produce dentro de la estructura cristalina del elemento semiconductor, notaremos que mientras los electrones se mueven en una dirección, los huecos o agujeros se mueven en sentido inverso. Por tanto, el mecanismo de conducción de un elemento semiconductor consiste en mover cargas negativas (electrones) en un sentido y cargas positivas (huecos o agujeros) en sentido opuesto.

Ese mecanismo de movimiento se denomina "conducción propia del semiconductor", que para las cargas negativas (o de electrones) será "conducción N", mientras que para las cargas positivas (de huecos o agujeros), será "conducción P".

EFECTO DE UN CAMPO ELÉCTRICO EXTERNO

MECANISMO DE CONDUCCIÓN INTRÍNSECA

Al aplicarle a la una muestra semiconductora una excitación externa, se logra un flujo ordenado de los electrones y de los huecos.

Son los electrones libres los que realmente se mueven, pero el sentido de la corriente eléctrica, por convenio, se toma sentido contrario.

 

 

MECANISMO DE CONDUCCION EXTRÍNSECA

El semiconductor extrínseco se obtiene de mezclarlo con elementos del grupo IIIA o VA del sistema periódico. A este proceso se le denomina dopaje del semiconductor extrínseco.

EL DOPAJE CON ELEMENTOS DEL GRUPO IIIA DEL SISTEMA PERIÓDICO se hace regularmente con aluminio (Al), con galio (Ga) o con indio (In). Estas impurezas aportan tres electrones para lograr los enlaces, por eso se denominan aceptores. Los semiconductores dopados con estos elementos reciben el nombre de " Material tipo p " y en ellos existen más huecos que electrones.

Al establecer un campo eléctrico en una muestra de este tipo, son los huecos los que funcionan como puente para los electrones que se desplazan de la región de menor potencial a la de mayor potencial dando origen a la corriente eléctrica.

EL DOPAJE CON ELEMENTOS DEL GRUPO VA DEL SISTEMA PERIÓDICO se hace regularmente con fósforo (P), con antimonio (Sb) o con arsénico (As). Estas impurezas aportan cuatro electrones para formar los enlaces, por eso se denominan dadores. Los semiconductores dopados con estos elementos reciben el nombre de " Material tipo n " y en ellos existen más electrones que huecos. Los materiales de este tipo se comportan como los metales, pues requieren de poca energía para conducir corrientes eléctricas, esto se debe al exceso de electrones provocado por las impurezas

2. explicar la variación de la resistencia del filamento conductor en el foquito incandescente

Filamento de tungsteno de un foco incandescente está formado por un alambre extremadamente fino, mucho más que el de un cable cualquiera. Por ejemplo, en una lámpara de 60 watt, el filamento puede llegar a medir alrededor de 2 metros de longitud y de grueso solamente 3 x 10-3 = 0,003 mm . Para que la longitud total del filamento ocupe el menor espacio posible, el alambre se reduce por medio de un doble enrollado.

El filamento de tungsteno presenta un problema y es que el metal se evapora al alcanzar temperaturas tan altas como la que produce la incandescencia. En ese estado, algunos átomos de tungsteno se excitan tan violentamente que saltan al vacío dentro de la bombilla y se depositan en la pared interna del cristal, ennegreciendo y volviéndolo opaco a medida que más se utiliza la lámpara.

Debido al propio proceso de evaporación, el filamento de tungsteno se va desintegrando con las horas de uso y la vida útil de la lámpara se reduce. Cuando ese proceso llega a su límite, el filamento se parte por el punto más débil y deja de alumbrar. Decimos entonces que la lámpara se ha fundido.

Para evitar el rápido deterioro del filamento por evaporación, desde 1913 se adoptó el uso del gas argón en el interior de las bombillas. De esa forma se logra disminuir en cierta medida la evaporación del metal, pues los átomos del tungsteno evaporados al impactar con los átomos del gas argón rebotan hacia el filamento y se depositan de nuevo en su estructura metálica sin que se produzca una reacción de combustión.

Últimamente, las bombillas con metal de tungsteno, conocido también por el nombre químico de wolframio (W), eran recubiertas de calcio (Ca) y magnesio (Mg) y su función principal en los tubos de las Lámparas incandescentes es calentar previamente el gas argón que contienen en su interior para que se puedan encender.

UTILIZACION

Resistencia dependiente de la luz (LDR), conocida también como fotorresistor o célula fotoeléctrica. Posee la característica de disminuir el valor de su resistencia interna cuando la intensidad de luz que incide sobre la superficie de la celda aumenta. Como material o elemento semiconductor utiliza el sulfuro de cadmio (CdS) y su principal aplicación es en el encendido y apagado automático del alumbrado público en las calles de las ciudades, cuando disminuye la luz solar.

En dependencia de cómo varíen los factores de los puntos más arriba expuestos, los materiales semiconductores se comportarán como conductores o como aislantes.