ASIGNATURA:

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ASIGNATURA FUNDAMENTOS DE ELECTRONICA TEMAS
Física del Estado Sólido y dispositivos
Preparado por Manuel Rico Secades Octubre
2003 OBJETIVOS Introducción muy sencilla a la
física de estado sólido y a los dispositivos
electrónicos básicos. Es una presentación
introductoria. Todas las explicaciones son
cualitativas y se ha huido expresamente de
ecuaciones y explicaciones farragosas. Se
recogen referencias donde se puede ampliar
información sobre este tema.
2
NOCIONES DE FÍSICA DE ESTADO SÓLIDO Concepto de
bandas de energía
CRISTAL Espacio ordenado de iones (átomos) en
forma de bloque y repetido regularmente en tres
dimensiones
Metales Semiconductores Aislantes
Estructura cristalina
IDEA 1 Cuando los átomos forman un cristal, los
niveles de energía de los electrones interiores
no se ven afectados por la presencia de los
vecinos
IDEA 2 Los niveles de energía de los electrones
exteriores cambian extraordinariamente al estar
solicitados por mas de un átomo
IDEA 3 El acoplamiento de capas de electrones
exteriores da lugar a unas BANDAS DE ESTADOS DE
ENERGÍA muy próximos entre si
HERRAMIENTA MATEMÁTICA PARA ESTUDIAR ESTE TEMA
MECÁNICA CUÁNTICA
3
Materiales semiconductores
1s2 2s2 2p2

• Estructura atómica del Carbono (C)
• (6 electrones)

Electrones que se ven afectados en un cristal

• Estructura atómica del Silicio (Si)
• (14 electrones)

1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2

• Estructura atómica del Germanio (Ge)
• (32 electrones)

• Estructura atómica del Estaño (Sn)
• (50 electrones)

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p2
4 electrones en la última capa
4
Ejemplo con C
Estados vacíos
W Energía
2p6
2s2
1s2
5
Que pasa al reducir la distancia entre átomos?
Moléculas de C Libres o muy separadas p.e. gases
Bandas de energía posibles
2p6
2s2
Energía
1s2
Distancia interatómica
6
AISLANTE
7
CONDUCTOR
Banda de conducción
Energía
Banda de valencia
8
SEMICONDUCTOR
Electrón de la banda de valencia alcanza la
energía necesaria para saltar a la banda de
conducción Puede moverse al estado vacío de la
banda de conducción de otro átomo
vecino Corriente eléctrica. A temperatura
ambiente 20 ºC algunos electrones tienen esta
energía. Es un semiconductor.
Banda prohibida Ge ? 0.67 eV Si ? 1.1 eV
9
RESUMEN
10
Semiconductores elementales Germanio (Ge) y
Silicio (Si) Compuestos IV Si C y Si
Ge Compuestos III-V Binarios Ga As, Ga P, Ga
Sb, Al As, Al P, Al Sb, In As, In P y In
Sb Ternarios Ga As P, Al Ga As Cuaternarios In
Ga As P Compuestos II-VI Zn S, Zn Se, Zn Te, Cd
S, Cd Se y Cd Te
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Comentarios sobre conductores, aislantes y
semiconductores
Al disminuir la Temperatura es mas conductor
Cobre Conductor
Diamante Aislante
Al disminuir la Temperatura es menos conductor
Silicio Semiconductor
Para que sirve un trozo de material que es un
mal conductor?
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EXPLICACIÓN CUALITATIVA Semiconductor Intrínseco
(sin impurezas)
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CONCEPTOS DE HUECO Y ELECTRÓN
w
Electrón
wc
wv
Hueco
Ambiente (T 20º C)
A T ambiente, algunos electrones escapan del
enlace covalente y "pululan" por la estructura
cristalina. Ha dejado un espacio en el átomo de
donde se ha escapado (Hueco)
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Tanto electrones como Huecos se pueden Mover
El electrón obviamente se moverá hacia la tensión
positiva

-
El hueco se mueve como una carga positiva! La
movilidad de los huecos es menor que la de los
electrónes (Se mueven mas despacio)
15
COMENTARIO
Los electrones de mueven por niveles de energía
de la banda de conducción
w
Electrón
wc
wv
Hueco
Los huecos de mueven por niveles de energía de la
banda de valencia
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SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
Los componentes electrónicos surgen al unir
trozos de semiconductor impurificados (dopados)
con diversos elementos. SEMICONDUCTOR DOPADO
SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO Los materiales
empleados para dopar pertenecen al grupo III o al
grupo V. Grupo III In, Al, Ga, B (3
electrones en la última capa) Grupo V As, Sb,
Bi (5 electrones en la última capa) Los
dopados se consiguen mediante técnicas de
difusión o implantación iónica. Manteniendo el
semiconductor en una atmósfera de la sustancia
"dopante" con concentraciones, temperaturas y
tiempos controlados.
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SEMICONDUCTORES TIPO N Dopantes grupo V (p.e. Sb)
El Sb tiene 5 electrones en la última capa. El
Sb sustituye al Ge en la estructura
cristalina. Le queda un electrón ligeramente
unido al átomo del dopante. Con muy poca energía
(0.01 eV - 0.05 eV puede liberarse. A
temperatura ambiente todos los átomos de Sb han
perdido su electrón. El átomo de Sb está fijo en
la estructura cristalina y no se puede mover (no
es un hueco)
Sb
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SEMICONDUCTORES TIPO N Dopantes grupo V (p.e. Sb)
Cada átomo dopante aporta al cristal un electrón
libre. Cada átomo dopante aporta un ión positivo
fijo (no se puede mover). Al igual que en un
semiconductor intrínseco habrá pares electrón
hueco generados a la forma convencional. No
obstante, el número de huecos disminuirá
bastante, al tener un gran número de electrones
libres "pululando" por el cristal.
-

Sb
-

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SEMICONDUCTORES TIPO N Dopantes grupo V (p.e. Sb)
Muchos electrones libres


Tipo N



Iones positivos Fijos en el cristal No se pueden
Mover
Muy pocos Huecos
COMENTARIO Darse cuenta que un trozo de
Semiconductor N por si solo tiene poca utilidad.
Simplemente es un regular conductor (una
determinada resistencia)
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SEMICONDUCTORES TIPO P Dopantes grupo III (p.e.
In)
El In tiene 3 electrones en la última capa. El
In sustituye al Ge en la estructura
cristalina. Le queda un enlace covalente
"huerfano" de electrón. Con muy poca energía
(0.01 eV - 0.05 eV puede "robar" un electrón a un
enlace covalente vecino. A temperatura ambiente
todos los átomos de In han "robado" un
electrón. El átomo de In está fijo en la
estructura cristalina y no se puede mover (no es
un electrón/carga libre)
In
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SEMICONDUCTORES TIPO P Dopantes grupo III (p.e.
In)
Cada átomo dopante aporta al cristal un
hueco. Cada átomo dopante aporta un ión negativo
fijo (no se puede mover). Al igual que en un
semiconductor intrínseco habrá pares electrón
hueco generados a la forma convencional. No
obstante, el número de electrones disminuirá
bastante, al tener un gran número de huecos el
cristal.

-
In
-

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SEMICONDUCTORES TIPO III Dopantes grupo III
(p.e. In)
Muchos huecos
-
-
Tipo P
-
-
-
Iones negativos Fijos en el cristal No se pueden
Mover
Muy pocos electrones
COMENTARIO Darse cuenta que un trozo de
Semiconductor P por si solo también tiene poca
utilidad. Simplemente es un regular conductor
(una determinada resistencia)
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• LOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS SURGEN DE UNIR
  TROZOS DE SEMICONDUCTOR P Y N.
• LOS FENÓMENOS "ESPECIALES" QUE SURGEN SE
  APROVECHAN PARA MUY DIVERSAS APLICACIONES Y HAN
  DADO LUGAR AL FRUCTÍFERO MUNDO DE LA ELECTRÓNICA.
• COMUNICACIONES
• ORDENADORES
• MÚSICA
• TELEVISIÓN
• ELECTROMEDICINA
• SENSORES
• ETC

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Donde ampliar conocimientos?

• Circuitos Electrónicos. Análisis, simulación y
  diseño.
• Norbert R. Malik. Prentice Hall 1996
• Electrónica Integrada. Circuitos y sistemas
  analógicos y digitales.
• Jacob Millman Christos C. Halkias. Editorial
  Hispano Europea. 6ª Edición 1984
• Presentaciones preparadas por el profesor D.
  Javier Sebastian Zúñiga (ver página web personal
  del profesor)
• Asignatura optativa Componentes Electrónicos y
  Circuitos integrados. OPTATIVA 5º C2 (5.51.5)

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DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES (PANORÁMICA)
Diodo Zener, Diodo LED, Diodo Schottky, diodo
Tunel (Gunn), diodo Varicap
1 unión PN
DIODOS
Bipolares, Fototransistores, Transistores
multiemisor, JFET y MOSFET
SCR, TRIAc, DIAC, GTO
TIRISTORES
TRANSISTORES
varias uniones PN
2 uniones PN
ASOCIACIÓN DE DISPOSITIVOS IGBT, optoacoplador,
Display, puentes rectificadores,
Darlington CIRCUITOS INTEGRADOS