Estructura Atómica Del Silicio

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    13-Jul-2015

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<p>Estructura Atmica Del SilicioUn diodo de estado slido se forma cuando se unen dos piezas de cristal semiconductor compuestas por tomos de silicio (Si) puro, pero procesadas cada una de forma diferente. Durante el proceso de fabricacin del diodo ambas piezas se someten por separado a un proceso denominado dopado consistente en aadirle a cada una impurezas diferentes, procedentes de tomos de elementos semiconductores tambin diferentes. Al final del proceso se obtiene una pieza de cristal de silicio positiva (P) con faltante de electrones en su estructura atmica (lo que produce la aparicin de huecos) y otra pieza negativa (N) con exceso de electrones. Se prepara en forma de polvo amorfo amarillo pardo o de cristales negros-grisceos. Se obtiene calentando slice, o dixido de silicio (SiO2), con un agente reductor, como carbono o magnesio, en un horno elctrico. El silicio cristalino tiene una dureza de 7, suficiente para rayar el vidrio, de dureza de 5 a 7. El silicio tiene un punto de fusin de 1.410 C, un punto de ebullicin de 2.355 C y una densidad relativa de 2,33. Su masa atmica es 28,086.</p> <p>Estructura Atmica Del Germanio</p> <p>El germanio pertenece a la misma familia qumica que el carbono, el silicio y el plomo; se parece a estos elementos en que todos ellos forman derivados orgnicos como el tetraetilo de germanio y el tetrafenilo de germanio. El germanio forma hidruros germanometano o germano (GeH4), germanoetano (Ge2H6) y germanopropano (Ge3H8) anlogos a los formados por el carbono en la serie alcanos (vase Qumica orgnica). Sus compuestos ms importantes son el xido germnico (GeO2) y los haluros. El germanio se separa de otros metales por destilacin de su tetracloruro.</p> <p>Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado aadiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para poder aumentar el nmero de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones). Cuando se aade el material dopante aporta sus electrones ms dbilmente vinculados a los tomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es tambin conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones. El propsito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cmo se produce el dopaje tipo n considrese el caso del silicio (Si). Los tomos del silicio tienen una valencia atmica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los tomos de silicio adyacentes. Si un tomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo 15 de la tabla peridica (ej. fsforo (P), arsnico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un tomo de silicio, entonces ese tomo tendr cuatro enlaces covalentes y un electrn no enlazado. Este electrn extra da como resultado la formacin de "electrones libres", el nmero de electrones en el material supera ampliamente el nmero de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los tomos con cinco electrones de valencia tienen un electrn extra que "dar", son llamados tomos donadores. Ntese que cada electrn libre en el semiconductor nunca est lejos de un ion dopante positivo inmvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga elctrica neta final de cero.</p> <p>Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, aadiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para poder aumentar el nmero de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos). Cuando se aade el material dopante libera los electrones ms dbilmente vinculados de los tomos del semiconductor. Este agente dopante es tambin conocido como material aceptor y los tomos del semiconductor que han perdido un electrn son conocidos como huecos. Suelen tener un tamao milimtrico y, alineados, constituyen detectores multicanal que permiten obtener espectros en milisegundos. Son menos sensibles que los fotomultiplicadores. Es un semiconductor de tipo p (con huecos) en contacto con un semiconductor de tipo n (electrones). La radiacin comunica la energa para liberar los electrones que se desplazan hacia los huecos, estableciendo una corriente elctrica proporcional a la potencia radiante. El propsito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un tomo tetravalente (tpicamente del grupo 14 de la tabla peridica) se le une un tomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13 de la tabla peridica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un tomo de silicio, entonces ese tomo tendr tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrar en condicin de aceptar un electrn libre. As los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protn del tomo situado en la posicin del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta carga positiva. Cuando un nmero suficiente de aceptores son aadidos, los huecos superan ampliamente la excitacin trmica de los electrones. As, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.</p> <p>Polarizacin directa de la unin P - N</p> <p>En este caso, la batera disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a travs de la unin; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad. Para que un diodo est polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la batera al nodo del diodo y el polo negativo al ctodo. En estas condiciones podemos observar que:y y y</p> <p>y</p> <p>El polo negativo de la batera repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unin p-n. El polo positivo de la batera atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unin p-n. Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batera es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energa suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unin p-n. Una vez que un electrn libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los mltiples huecos de la zona p convirtindose en electrn de valencia. Una vez ocurrido esto el electrn es atrado por el polo positivo de la batera y se desplaza de tomo en tomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batera.</p> <p>De este modo, con la batera cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a travs del diodo una corriente elctrica constante hasta el final. Polarizacin directa: se produce cuando se conecta el polo positivo de la pila a la parte P de la unin P - N y la negativa a la N.</p> <p>En este caso, el polo negativo de la batera se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensin en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensin de la batera, tal y como se explica a continuacin:y</p> <p>y</p> <p>y</p> <p>El polo positivo de la batera atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batera. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los tomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrn en el orbital de conduccin, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y tomo) y una carga elctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos. El polo negativo de la batera cede electrones libres a los tomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos tomos slo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los tomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrn que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batera entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los tomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga elctrica neta de -1, convirtindose as en iones negativos. Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial elctrico que la batera.</p> <p>Conduccin por Huecos-ElectronesEl semiconductor se comporta como un aislante, pero al incrementarse la temperatura empiezan a generar pares electrn - hueco. Estos pares electrn - hueco se generan al romperse los enlaces entre los tomos. Igualmente puede ocurrir aniquilaciones de pares electrn hueco cuando un electrn de la banda de conduccin hace una transicin a la banda de valencia y ocupa un estado vaco (hueco), este proceso es denominado recombinacin. En la siguiente figura se muestra lo descrito anteriormente con un modelo de enlace covalente para el silicio:</p> <p>Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y del trodo de Lee de Forest. En una primera generacin aparecieron las vlvulas que permitieron el desarrollo de aparatos electrnicos como la radio o la televisin. Posteriormente, en una segunda generacin, apareceran los semiconductores que ms tarde daran paso a los circuitos integrados (tercera generacin) cuya mxima expresin se encuentra en los circuitos programables (microprocesador y micro controlador) que nuestros alumnos ya conocen y que pueden ser considerados como componentes, aunque en realidad son circuitos que llevan en su interior millones de componentes. En la actualidad existe un nmero elevado de componentes activos, siendo usual, que un sistema electrnico se disee a partir de uno o varios componentes activos que condicionaran el funcionamiento del circuito. Esto no sucede con los componentes pasivos. Dentro de los componentes activos ms importantes se pueden nombrar a los diodos en primer trmino cuya funcin es rectificar y limitar las seales; luego los transistores cuya funcin es amplificar o controlar la corriente de un circuito; los amplificadores operacionales cuya funcin principal es amplificar pero que tienen otros usos como sumadores restadores, etc y por ltimo los circuitos integrados en general de los cuales existen versiones programables y no programables y que tienen un uso general.</p> <p>DIODOS RECTIFICADORE DIODOS DE TRATAMIENTO DE Seal (RF) DIODOS DE CAPACIDAD VARIABLE (VARICAP) DIODO ZENER FOTODIODOS DIODOS LED (LUMINISCENTES)</p> <p>Diodo semiconductor iodo de vacoD</p> <p>Si el terminal positivo de la fuente est conectado al material tipo p y el terminal negativo de la fuente est conectado al material tipo n, diremos que estamos en "Polarizacin Directa". La conexin en polarizacin directa tendra esta forma:</p> <p>En este caso tenemos una corriente que circula con facilidad, debido a que la fuente obliga a que los electrones libres y huecos fluyan hacia la unin. Al moverse los electrones libres hacia la unin, se crean iones positivos en el extremo derecho de la unin que atraern a los electrones hacia el cristal desde el circuito externo. As los electrones libres pueden abandonar el terminal negativo de la fuente y fluir hacia el extremo derecho del cristal. El sentido de la corriente lo tomaremos siempre contrario al del electrn.</p> <p>Se invierte la polaridad de la fuente de continua, el diodo se polariza en inversa, el terminal negativo de la batera conectado al lado p y el positivo al n, esta conexin se denomina "Polarizacin Inversa". En la siguiente figura se muestra una conexin en inversa:</p> <p>El terminal negativo de la batera atrae a los huecos y el terminal positivo atrae a los electrones libres, as los huecos y los electrones libres se alejan de la unin y la z.c.e. se ensancha. A mayor anchura de la z.c.e. mayor diferencia de potencial, la zona de deplexin deja de aumentar cuando su diferencia de potencial es igual a la tensin inversa aplicada (V), entonces los electrones y huecos dejan de alejarse de la unin. A mayor la tensin inversa aplicada mayor ser la z.c.e.</p>