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1. Fundamentos de semiconductores
1.1 El estado cristalino, redes cristalinas y crecimiento de cristales en
Semiconductores
CRECIMIENTO DE CRISTALES
Cuando los átomos se combinan para formar un solido pueden acomodarse
siguiendo un patrón ordenado llamado cristal. El orden de los átomos en un material
es importante en la determinación de sus propiedades especificas.
La disposición atomica de un solido, se puede clasificar como: amorfo,
policristalino o cristalino. Un solido amorfo es aquel en el que no se reconoce ningún
orden en la ubicación de los átomos dentro del material. La disposición atomica en
cualquier porción de un material amorfo es distinta de la de cualquier porción del
mismo. En los solidos cristalinos los átomos estan distribuidos en un conjunto
tridimencional ordenado. En cualquier sección de un material cristalino, se puede
reproducir con facilidad la disposición de los atomos en otra sección del mismo. Los
solidos policristalinos constituyen un caso intermedio, en el cual el solido está
compuesto de subsecciones cristalinas que no son homogeneas o que no estan
relacionados
entre
si.
En electronica los materiales que son la base para la construcción de
dispositivos electronicos son el silicio (Si) y el germanio (Ge). Los átomos de
germanio o de silicio pueden agruparse en una estructura geometrica bien definida
conocida
como
reticulo
cristalino.
Tanto el silicio (Si) como el germanio (Ge) son conocidos como átomos
tetravalentes, porque cada uno tiene cuatro electrones de valencia. Cada átomo
tetravalente comparte sus electrones de valencia por medio de enlaces covalentes
de tal manera que cada átomo tiene 8 electrones en su capa de valencia estos 8
electrones producen un cristal de germanio o de silicio una cierta estabilidad quimica
se puede decir que el cristal se comparta como un aislante a bajas temperaturas. La
temperatura provoca la exitación y el rompimiento de algunos enlaces covalentes.
Algunos electrones adquieren energia para circular al azar, la salida de un
electron de valencia deja vacio un electrón de valencia llamado hueco el cual se
comporta como una carga positiva, está atraerá y captura cualquier electrón de su
densidad inmediata. La energia que se requiere para romper un enlace covalente es
0,72
eV
para
el
Ge
y
1,1
eV
para
el
Si.
Cuanto más alta sea la temperatura mayor sera la cantidad de electrones libres
y huecos que se generen. Cuando en electrón se aproxima a un hueco será atraido y
caera hacia el, a esta unión electrón libre-hueco se le llama recombinación.
El tiempo que transcurre entre la creación y desaparición de un electrón libre se
denomina tiempo de vida. El tiempo de vida varia desde unos cuantos nanosegundos
hasta varios microsegundos dependiendo de la perfección del cristal.
1.2 Materiales semiconductores
Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica
puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor,
considerados en orden creciente
Los semiconductores más conocidos son el siliceo (Si) y el germanio
(Ge). Debido a que, como veremos más adelante, el comportamiento del
siliceo es más estable que el germanio frente a todas las perturbaciones
exteriores que puden variar su respuesta normal, será el primero (Si) el
elemento semiconductor más utilizado en la fabricación de los
componentes electrónicos de estado solido. A él nos referiremos
normalmente, teniendo en cuenta que el proceso del germanio es
absolutamente similar.
Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas
en el núcleo, como electrones en las órbitas que le rodean. (En el caso del
silicio este número es de 14). El interés del semiconductor se centra en su
capacidad de dar lugar a la aparición de una corriente, es decir, que haya
un movimiento de electrones. Como es de todos conocido, un electrón se
siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos.
Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del
núcleo y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se
encuentran en las órbitas exteriores. Estos electrónes pueden, según lo
dicho anteriormente, quedar libres al inyectarles una pequeña energía. En
estos recaerá nuestra atención y es así que en vez de utilizar el modelo
completo del átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación
simplificada (figura 2) donde se resalta la zona de nuestro interés.
La zona sombreada de la figura 2 representa de una manera simplificada a
la zona sombreada de la figura 1
Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser
liberados de la fuerza de atracción del núcleo son cuatro
1.3 Modelo de Enlace Covalente
En este enlace cada uno de los átomos aporta un electrón. Los orbitales de las capas de
valencia de ambos átomos se combinan para formar uno solo que contiene a los 2 electrones.
El enlace covalente se representa con una linea recta que une a los 2 átomos, por ejemplo:
O-H
Características del enlace covalente.

Es muy fuerte y se rompe con dificultad.

Si la diferencia de electronegatividades entre los 2 átomos es marcada, tenemos un
enlace polar y se favorecerá la solubilidad de la substancia en solventes polares.
Ejemplo: un enlace O-H

Si la diferencia de electronegatividades es poca, tenemos un enlace no polar y se
favorecerá la solubilidad de la substancia en solventes no polares. Ejemplo: un enlace
C-H o C-C
ENLACE COVALENTE COORDINADO.
En este enlace también se combinan los orbitales de las capas de valencia de ambos átomos
para formar uno solo que contiene a los 2 electrones; la diferencia con el anterior es que sólo
uno de los átomos aporta los 2 electrones y queda con carga positiva.
El enlace covalente coordinado se representa con una flecha que sale del átomo que cedió el
par de electrones:
N->H
Características del enlace covalente coordinado.

Una vez formado es idéntico a los demás enlaces covalentes.
1.4 Materiales intrínsecos, materiales extrínsecos
MATERIALES INTRINSECOS
Los materiales intrínsecos son aquellos que han sido cuidadosamente
refinados para reducir las impurezas a un nivel muy bajo, esencialmente tan puro
como sepuede obtener a través de la tecnología moderna. A los electrones libres
localizados en el material que se deben sólo a causas naturales, se les conoce como
portadores intrínsecos.
SEMICONDUCTOR INTRINSECO:
Un semiconductor intrínseco es un semiconductor cuyas propiedades son innatas al
material. La concentración de portadores en un semiconductor intrínseco es una de
la propiedades intrínsecas que identifican al material más acusadas a medida que
aumenta la temperatura.

ni=concentración de electrones por unidad de volumen de
materiales intrínsecos

pi=concentración de huecos por unidad de volumen de
materiales intrínsecos
NOTA: Por efectos térmicos se generan electrones libres generando
huecos en la banda de valencia, es decir, generación de pares electronhueco (ni=pi).
MATERIALES EXTRINSECOS
Una forma de aumentar la conductividad de un semiconductor es mediante el
dopado consiste en añadir impurezas a un cristal intrínseco. Un semiconductor
puede doparse para que tenga un exceso de electrones o de huecos.
Para que un semiconductor tenga exceso de electrones libres se contamina
con átomos pentavalentes a esa impureza se le conoce como donadora y al cristal se
le llama semiconductor tipo N.. En un cristal tipo N los portadores mayoritarios serán
los electrones. A un semiconductor dopado con átomos pentavalentes se le llama
extrínseco.
Cuando un semiconductor extrinseco se le contamina con átomos trivalentes
(impurezas aceptoras) este presenta un exceso de huecos donde estos serán los
portadores mayoritarios, a este tipo de cristal se le conoce como semiconductor tipo
P.
EXISTEN DOS CLASES DE DOPANTES:
TIPO n:

-Impurezas dadoras que son pentavalentes provenientes del
grupo V de la tabla periódica, que les queda "libre" el quinto
electrón.

-Elementos pentavalentes como fósforo, arsénico y antimonio.

-En el tipo n los portadores mayoritarios son los electrones (n>p)
y los minoritarios los huecos.

-Nd=concentración de dadores por unidad de volumen.
TIPO p:

--Impurezas aceptoras que son trivalentes provenientes del
grupo III de la tabla periódica, que les queda "libre" un hueco .

-Elementos trivalentes como boro, aluminio y galio

-En el tipo p los portadores mayoritarios son los huecos (p>n) y
los minoritarios los electrones.

-Na=concentración de aceptores por unidad de volumen.
1.5 Modelo de Bandas de energía
La energía requerida para liberar los electrones de los conductores, los aislantes y
los semiconductores, es lo que determina sus respectivas bandas de conducción y
pueden representarse por medio de diagramas de bandas de energía. Dichos
diagramas nos indican qué tan fácil o difícil es liberar un electrón para iniciar la
conducció eléctrica. Los diagramas de bandas de energía mostrados en esta página
sólo abarcan los niveles de energía que van desde la banda de valencia hasta la de
conducción.
En cada diagrama la banda de valencia representa el nivel de energía que
poseen los electrones de valencia, mientras que la banda de conducción representa
el nivel de energía que éstos deben alcanzar a fin de liberarse de su capa. Entre esta
banda y la conducción puede haber una intermedia, llamada banda prohibida. Si la
energía agregada a un electrón de valencia es limitada, de modo que su nivel de
energía total quede en la banda prohibida, entonces este electrón no será liberado y
permanecrá en la capa de valencia. Puede verse, que la altura de la banda prohibida
indica que tan fácil o difícil es liberar un electrón de valencia e iniciar la
conduccion. Observando los diagramas, los aislantes tienen una banda prohibida
ancha; los semiconductores, una banda prohibida más estrecha; y los conductores
no la tienen.
1.6 Distribución de Fermi Dirac y distribución de Maxwell- Boltzmann
Una distribución que aumenta en el estudio de la integración de las partículas en
física,
(1)
Su integral esta dada por:
(2)
(3)
Donde
es la trascendental.
es el polilogaritmo
Distribución de Maxwell- Boltzmann
Todas las moléculas de una química específica, tienen la misma masa en sus elementos o
compuestos, así que su energía cinética es solo dependiente de la velocidad de las partículas
Recordar que la energía cinética es igual a ½mv2
En cualquier mezcla de moléculas en movimiento, la velocidad variara en gran manera, desde
las muy lentas partículas (de baja energía) hasta las partículas mas rápidas (de alta energía). La
mayoría de las partículas se moverán a una velocidad muy cercana a la velocidad promedio.
La distribución de Mawell-Boltzmann muestra como la velocidad (desde la energía) de la
mezcla de partículas varía en un temperatura específica
Puntos a resaltar:

No hay moleculas sin energía

Pocas moléculas se encuentra con gran energía

No hay moléculas con el valor máximo de energí
Para que la reacción, las partículas relacionadas necesitan una cantidad de energía – la energía
de activación (Eact). Si una partícula no se encuentra en el área de corte, entonces no tendrá la
energía requerida y no será capaz de participar en la reacción
1.7 Nivel de Fermi en materiales intrínsecos y extrínsecos
Nivel de Fermi-Dirac
La función de distribución de Fermi-Dirac f(E), describe la probabilidad qe que
un estado en la energia E, se llene por medio de un electron. La función de Fermi
sólo representa una probabilidad de ocupación y no contiene información acerca de
los estados disponibles para ser ocupados, por lo tanto no especifica la población de
electrones en una energia dada.
Nivel de Fermi-Dirac intrínseco
Debido a que los electrones que pasan de la banda de conducción, dejan
huecos en la bandas de valencia, la igualdad de los numeros volumétricos de los
electrones libres y de huecos permite determinar el nivel de fermi en un
semiconductor intrínseco:
El Nivel de Fermi se obtuvo de las Concentraciones de Portadores:
ELECTRONES
n=Nc.e^(-EC-EF/KT)
HUECOS
P=Nv.e^(-EF-EV/KT)
NIVEL DE FERMI
EF=Ei=(Ev+Ec)/2
NOTA: El Nivel de Fermi del Material Intrínseco se encuentra ubicado en
la Banda Prohibida
NIVEL DE FERMI EN EL MATERIAL EXTRINSECO
Si se tienen temperaturas bajas, se tendrián muy pocos electrones
excitados para atravesar la banda de valencia hacia la de la conducción, de
manera que p seria despreciable en comparación con n; por lo tanto, en el
intervalo de tamperaturas bajas se le conoce como nivel de Fermi-Dirac
extrínseco.
El intervalo extrínseco de temperatura comprende otros dos intervalos
los
que
el
calculo
de
nivel
de
Fermi
es
sencillo.
1. A temperaturas muy bajas, se ionizan sólo una pequeña fracción de los
átomos donadores. Dicho de otra forma, el nivel de Fermi esta situado a varias
veces kT arriba del nivel donador para que la mayoria de los estados
donadores contenga electrones.
en
2. A temperaturas más elevadas en el intervalo extrínseco, se ionizan
casi todos los átomos de impureza, de manera que nD- = nD. En otras palabras,
el nivel de Fermi se habrá movido a por lo menos, varias veces kT debajo del
nivel donador, esto da como resultado sólo la probabilidad muy pequeña de
que cualquier nivel donador este ocupado.
NIVEL DE FERMI DEL MATERIAL TIPO n
EF=Ei+Er.
NOTA: EF=se desplaza hacia la banda de conducción.
Ei=el nivel de fermi de los materiales intrínsecos.
Er=(KT/2)*ln(p/n) n>>p
NIVEL DE FERMI DEL MATERIAL TIPO p
EF=Ei-Er.
NOTA: EF=se desplaza hacia la banda de valencia.
Ei=el nivel de fermi de los materiales intrínsecos.
Er=(KT/2)*ln(p/n) n<<p
NOTA: El Nivel de Fermi del Material Intrinseco se encuentra ubicado en la Banda
Prohibida
1.8 Conductividad, movilidad, proceso de difusión
Conductividad
La conductividad se define como la relación entre la densidad de corriente y la
intensidad del campo electrico aplicado.
En función de las cargas
Movilidad
La movilidad es un parámetro importante en el fenomeno del transporte de
electrones
y
huecos
por
arrastre.
La movilidad es una medida de la facilidad de movimiento de los portadores
dentro de un cristal. Si se incrementan las colisiones que retardan el movimiento
dentro de un cristal, se reduce la movilidad de los portadores. Dicho de otra forma, la
movilidad de los portadores varía en relación inversa con el número de centros
dispersores que existen dentro del semiconductor.
proceso de difusión
La difusión es un proceso por el cual las partículas tienden a dispersarse o
redistribuirse como resultado de su movimiento erratico térmico. Cabe señalar que la
partícula que se mueve por difusión no necesita estar cargada; la causa del
mecanismo es el movimiento térmico, no la repulsión entre partículas.
En los semiconductores, las partículas móviles, los electrones y los huecos están
cargados, y el transporte de portadores debido a la difusión da lugar a corrientes de
partículas.
1.9 Ecuaciones de continuidad
ECUACIONES DE CONTINUIDAD
El objetivo de una ecuación de continuidad es describir la razón de un cambio
en el tiempo de la densidad nemrica de partículas en un elemento de volumen del
espacio. La idea básica de partida es que la diferencia entre el número de portadores
que entra y salen de una región sin importar como lo hacen es igual a la variación del
número de portadores minoritarios en la región. Esto lo expresa la condición de
equilibrio dinámico de los portadores del semiconductor que se encuentran en una
situación
ligeramente
de
desequilibrio
Donde la entrada y salida de los portadores están en el orden de la suma de las
componentes de arrastre y de difusión, puestos que la velocidad de generación y
recombinación
por
unidad
de
volumen
son
G
y
U.
Los electrones y los huecos no pueden aparecer y desaparecer misteriosamente
en un punto determinado, sino que deben ser transportados al punto dado o creados
en él, a través de algún tipo de acción. Debe haber una continuidad espacial y
temporal en las concentraciones de portadores.. Por esta razón, las ecuaciones
siguientes son conocidas como ecuaciones de continuidad.
Ecuación de continuidad para electrones en el material tipo p:
 n*(d(npE)/dx)+Dn*(d²(np)/dx²)+Gn-((np-npo)/ n)=dnp/dt
Para
Huecos:
- p*(d(pnE)/dx)+Dp*(d²(pn)/dx²)+Gp-((pn-pno)/ p)=dpn/dt
MODELO TRIDIMENSIONAL:
dnp/dt =(1/q)* Jn+Gn-((np-npo)/ n)
Huecos:
dpn/dt = - (1/q)* Jp+Gp-((pn-pno)/ p)
2. Unión PN
2.1 Semiconductor P y semiconductor N
SEMICONDUCTOR TIPO N
....
Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí)
Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese que cada átomo comparte
cada uno de sus electrones con otros cuatro átomos
.... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones
en su capa exterior) por un átomo de otro elemento que contenga cinco
electrones en su capa exterior, resulta que cuatro de esos electrones
sirven para enlazarse con el resto de los átomos de la red y el quinto
queda libre.
Semiconductor dopado tipo N
A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le
denomina "Silicio tipo N"
En esta situación hay mayor número de electrones que de huecos. Por
ello a estos últimos se les denomina "portadores minoritarios" y
"portadores mayoritarios" a los electrones
Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso de dopado son el
arsénico, el antimonio y el fósforo
Está claro que si a un semiconductor dopado se le aplica tensión en sus
bornas, las posibilidades de que aparezca una corriente en el circuito son
mayores a las del caso de la aplicación de la misma tensión sobre un
semiconductor intrínseco o puro.
SEMICONDUCTOR TIPO P
....
Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí)
Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese que cada átomo comparte
cada uno de sus electrones con otros cuatro átomos
.... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones
en su capa exterior) por un átomo de otro elemento que contenga tres
electrones en su capa exterior, resulta que estos tres electrones llenarán
los huecos que dejaron los electrones del átomo de silicio, pero como son
cuatro, quedará un hueco por ocupar. Osea que ahora la sustitución de un
átomo por otros provoca la aprición de huecos en el cristal de silicio. Por
tanto ahora los "portadores mayoritarios" serán los huecos y los electrones
los portadores minoritarios.
A esta red de silicio dopada con esta clase de impurezas se le denomina
"silicio tipo P"
Semiconductor dopado tipo P
2.2
Unión P-N en estado de equilibrio
2.2.1 Potencial de contacto
La unión P-N esta polarizada directamente cuando el borne positivo de la alimentación se
aplica a la zona P y el negativo a la zona N.
Para asimilar el comportamiento de la unión polarizada en directo, establecemos en principio
el diagrama de potenciales asociados a la unión P-N sin polarizar.
Se distinguen tres zonas perfectamente delimitadas:

Zona P.

Unión P-N

Zona N.
Tomando como referencia la zona P -provista de cargas fijas negativas- a la que asignaremos
el potencial cero, se observa que a la zona N -provista de cargas fijas positivas- corresponde
un potencial Vo, habida cuenta de que es precisamente el potencial de contacto entre ambos
semicristales a través de la zona de transición
La evolución de la curva en la zona de unión se ajusta a las siguientes consideraciones:

Los extremos del tramo intermedio coincidir con los puntos de potencial O y Vo al
llegar a los lotes de las regiones P y N, respectivamente.

Su trazado sería no lineal o lineal, aunque no mostrar inflexiones pronunciadas.
2.2.2 Campo eléctrico
A medida que se produce la recombinación o neutralización de pares, – y +, el campo eléctrico
(E) en la unión tiende a aumentar paulatinamente. A su vez, se establece la zona libre de
cargas alrededor de la unión P-N.
Cabe precisar que el campo eléctrico E se opone a la difusión, - y + a través de la zona de
carga de espacio. Por consiguiente, E frena la corriente de difusión y da lugar a la aparición de
una corriente de arrastre que se opone a la anterior.
Este proceso se prolonga hasta que se establece el equilibrio cargas, circunstancia que
depender el campo eléctrico E y anchura de zona de transición es provista de cargas.
En equilibrio dinámico se verificaría la igualdad entre las corrientes de difusión de arrastre. Se
observa que a ambos lados de la unión en el campo eléctrico es igual a cero, por lo que existe
neutralidad de carga.
2.2.3 Zonas de vaciamiento
2.2.4 Carga almacenada
Supongamos que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas con una
frontera nítida, definida por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de
tipo N (Figura 4). La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos del
grupo III en la red cristalina (por ejemplo, boro). La zona N dispone de electrones en exceso,
procedentes de átomos del grupo V (fósforo). En ambos casos se tienen también portadores de
signo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de magnitud inferior (portadores
minoritarios).
Figura 4: Impurificación del silicio para la obtención de diodos PN
En cada zona la carga total es neutra: por cada electrón hay un ion positivo, y por cada hueco
un ion negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos eléctricos
internos. En el momento mismo de crear dos zonas de diferente concentración de portadores,
entra en juego el mecanismo de la difusión. Como se recordará, este fenómeno tiende a llevar
partículas de donde hay más a donde hay menos. El efecto es que los electrones y los huecos
cercanos a la unión de las dos zonas la cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir:

Electrones de la zona N pasan a la zona P.

Huecos de la zona P pasan a la zona N.
Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en la región de la
zona P cercana a la unión:
1. El electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece una carga negativa,
ya que antes de que llegara el electrón la carga total era nula.
2. Al pasar el hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de carga positiva en la
zona P, con lo que también aparece una carga negativa.
El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N. En
consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de carga, que es positiva en la
zona N y negativa en la zona P (Figura 5).
Figura 5: Formación de la unión PN
En el ejemplo del capítulo 5, los gases difunden completamente hasta llenar las dos estancias
de la caja y formar una mezcla uniforme. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre con los
gases de aquel ejemplo, en este caso están difundiendo partículas cargadas. La distribución de
cargas formada en la región de la unión provoca un campo eléctrico desde la zona N a la zona
P. Este campo eléctrico se opone al movimiento de portadores según la difusión, y va
creciendo conforme pasan más cargas a la zona opuesta. Al final la fuerza de la difusión y la
del campo eléctrico se equilibran y cesa el trasiego de portadores. En ese momento está ya
formado el diodo de unión PN, y como resultado del proceso se ha obtenido:

Zona P, semiconductora, con una resistencia RP.

Zona N, semiconductora, con una resistencia

Zona de agotamiento (deplección): No es conductora, puesto que no posee portadores
de carga libres. En ella actúa un campo eléctrico, o bien entre los extremos actúa una
barrera de potencial.
.
Hay que tener en cuenta que este proceso sucede instantáneamente en el momento en el que se
ponen en contacto las zonas N y P, y no necesita de ningún aporte de energía, excepto el de la
agitación térmica
2.2.5 Capacitancia
Crecimiento de la unión: los diodos de este tipo se forman durante el proceso de
estiramiento de cristal Czochralski. Se pueden añadir alternamente impurezas tipo p
y n al material semiconductor fundido en el crisol, y da como resultado una unión p-n
cuando el cristal se estira. Después de rebanar, el dispositivo de área grande puede
cortarse en grandes cantidades (a veces miles) de diodos semiconductores de área
más pequeña. El área de los diodos de unión por crecimiento es lo suficientemente
grande para manejar altas corriente (y por tanto tener valores nominales de potencia
altos). Sin embargo, al área grande introducirá efectos capacitivos indeseables en la
unión.
Aleación: el proceso de aleación dará como resultado un diodo semiconductor del
tipo de unión que también tendrá un alto valor nominal de corriente y PIV grande. Sin
embargo, la capacitancia de la unión es también grande, porque el área de unión
también es grande.
La unión p-n se forma poniendo primero una impureza tipo p en un sustrato tipo n y
calentando ambos hasta que sucede la licuefacción y los dos materiales se juntan. El
resultado es una aleación que cuando se enfría produce una unión p-n en la frontera
entre la aleación y el sustrato. Los papeles que desempeñan los materiales tipo n y p
pueden intercambiarse.
2.3
Condiciones de polarización
2.3.1 Polarización directa
Consiste en aplicar a la parte P del diodo una tensión más positiva que a la parte N.
De esta forma, el campo eléctrico estará dirigido de la parte P a la parte N. Esto
significa que circularían huecos de la parte P (donde son mayoritarios) a la parte N
(donde son minoritarios) por lo que esta corriente tiene el mismo sentido que la
corriente de difusión. De esta forma, la corriente total de huecos es muy alta. Un
proceso análogo ocurre para la corriente de electrones. La corriente total es la suma
de la de huecos y la de electrones y toma un valor elevado a partir de un
determinado valor de tensión (tensión ) que depende del tipo de semiconductor (en el
Silicio esumbral, V aproximadamente de 0,7 V y en el Germanio de 0,2 V).
Puede considerarse que el diodo es el dispositivo binario más elemental, ya que
permite el paso de corriente en un sentido y lo rechaza en sentido contrario.
2.3.2 Polarización inversa
El diodo de unión P-N es el dispositivo semiconductor más elemental. Consiste en el
dopado de una barra de cristal semiconductor en una parte con impurezas
donadoras (tipo N) y en la otra con impurezas aceptadoras (tipo P)De esta forma, en
la parte P existe mucha mayor concentración de huecos que de electrones libres y en
la parte N ocurre lo contrario.
La conductividad del diodo es diferente según sea el sentido en que se aplique un
campo eléctrico externo. Existen dos posibilidades de aplicación de este campo:
polarización inversa y polarización directa.
Polarización inversa. Consiste en aplicar a la parte N del diodo una tensión más
positiva que a la parte P. De esta forma, el campo eléctrico estará dirigido de la parte
N a la parte P y los huecos tenderán a circular en ese sentido
Mientras que los electrones tenderán a circular en sentido contrario. Esto significa
que circularían huecos de la parte N (donde son muy minoritarios) a la parte P
(donde son mayoritarios), por lo que esta corriente se ve contrarrestada por una
corriente de difusión que tiende a llevar a los huecos de donde son mayoritarios
(parte P) hacia donde son minoritarios (Parte N). Por consiguiente, la corriente global
de huecos es prácticamente nula. Algo totalmente análogo ocurre con la corriente de
electrones, la corriente de arrastre va en sentido contrario a la de difusión,
contrarrestándose ambas y produciendo una corriente total Prácticamente nula.
La corriente total es la suma de la de huecos más la de electrones y se denominan
Corriente inversa de saturación ( Is ). En la práctica, el valor de esta corriente es muy
pequeño (del orden de nA en el Silicio) y depende de la temperatura de forma que
aumenta al aumentar Ésta.
2.4
Fenómenos de ruptura
2.4.1 Ruptura por multiplicación o avalancha
En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de
saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran e incrementan su energía
cinética, de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar que salten a la
banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión,
chocan con más electrones de valencia y los liberan también. El resultado es una avalancha de
electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la
tensión superiores a 6 V en los diodos de silicio.
2.4.2 Ruptura Tener
Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el
campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando
el semiconductor esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande,
del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar
electrones de valencia y aumentar la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o
menores.
Para tensiones inversas de entre 4 y 6 V la ruptura del semiconductor se puede producir por
ambos efectos.
2.5
Técnicas de fabricación de dispositivos de unión.
El primer paso en la fabricación de algún dispositivo es obtener materiales
semiconductores del nivel de pureza deseado, como el silicio, germanio y arseniuro
de galio. En la actualidad se requieren niveles de impureza de menos de una parte
de mil millones (1 en 1,000,000,000) para la fabricación de la mayoría de los
dispositivos semiconductores.
Las materias primas se sujetan primero a una serie de reacciones químicas y aun
proceso de refinación por zona para formar un cristal policristalino del nivel de pureza
que se desea. Los átomos de un cristal policristalino están acomodados en forma
aleatoria, mientras que en el cristal único, los átomos están acomodados en una red
cristalina geométrica, simétrica y uniforme.
El aparato para refinación por zona consiste en un recipiente de grafito o cuarzo,
para tener la contaminación mínima, un tubo contenedor de cuarzo y un juego de
bobinas de inducción de RF (radiofrecuencia). Las bobinas o el bote deben ser
movibles a lo largo de la longitud del tubo de cuarzo. Se obtendrá el mismo resultado
en cualquier caso, aunque aquí se presenta el método de las bobinas movibles
porque parece ser el más común. El interior del tubo contenedor de cuarzo está lleno
con un gas inerte (con poca o ninguna reacción química) o al vacío, para reducir más
la posibilidad de contaminación.
En el proceso de refinación por zona se pone en el bote una barra de silicio con las
bobinas en un extremo de la barra. Luego se aplica la señal de radiofrecuencia a la
bobina, la cual induce un flujo de carga (corrientes parásitas) en el lingote de silicio.
Se aumenta la magnitud de estas corrientes hasta que se desarrolla suficiente calor
para fundir esa región del material semiconductor. Las impurezas del lingote entrarán
en un estado más líquido que el material semiconductor que las rodea. Las bobinas
de inducción se mueven lentamente hacia la derecha para inducir la fusión de la
región vecina, las impurezas "más fluidizas" "seguirán" a la región fundida. El
resultado neto es que un gran porcentaje de las impureza aparecerán al extremo
derecho del lingote cuando las bobinas de inducción hayan llegado a ese extremo.
Este lado de la pureza con impurezas puede después cortarse y se repite el proceso
completo hasta que se llega al nivel de pureza deseado.
3. Dispositivos de unión
3.1 Diodo rectificador
Son circuitos que convierten señales alternas en señales de una sola polaridad
(positiva o negativa)
Según su configuración son de media onda o de onda completa y según la fuente AC
usada son monofásicos o polifásicos.
Para mirar los voltajes y corrientes en el diodo examinamos dos circuitos básicos a
continuación.
Como se aplica la polaridad positiva de la fuente al ánodo y negativa a través de la
resistencia al cátodo, el diodo es polarizado en directo, entonces: VD = 0.7v
VR = VF - VD = VF F
F/R
Si VF = 100v ; R = 200
VR
100v VD = 0.7 ID = I = 0.5A
Como la fuente aplica polaridad negativa al ánodo y positiva a través de la
resistencia hacia el cátodo el diodo es polarizado en inverso, entonces:
I = ID
VR = R·I = 0
VD = VF - VR = VF - 0 = VF (en inverso)
Al aplicar una fuente AC el diodo conduce en el ciclo positivo (1er circuito) y se abre
en el semiciclo negativo (2do circuito).
En la carga (R) aparece voltaje de una sola polaridad positiva, es una señal llamada
rectificada media onda.
El voltaje pico en el diodo corresponde al valor pico negativo de la fuente:
VDP = VFP
La corriente pico en el diodo se produce cuando la fuente llega a su pico positivo y
es:
Por la forma de onda la corriente promedio es:
Ejemplo: Sea VFef = 220 VRMS
VDP
Fef
P
IM = 0.18A
Del manual ECG se puede tomar el diodo ECG 116 que soporta VPR = 600v y IMmax =
1A.
Para obtener una onda rectificada negativa se coloca el diodo en sentido contrario.
3.2 Diodo zener
DIODOS ZENER
En 1934 un científico llamado Carlos Zener propuso una teoría de ruptura eléctrica
en los sólidos, señalo que bajo cierta intensidad de campo, los portadores pueden
cruzar la unión o juntura mediante un proceso de mecánica cuántica. Tal como si los
portadores hubiese túneles en la barrera. Una vez que se produce la juntura, se
desarrolla con rapidez para convertirse en un avalancha de corriente.
Por supuesto se refería a corriente de unos cuantos µamperios; pero se trataba de
corriente inversa. El diodo Zener se diseño para que funcionara de acuerdo con esta
premisa, dicho componente funciona con polarización inversa y la polarización
operacional apropiada produce corriente en el centro de la zona de ruptura. Puesto
que el diodo Zener fue el primer dispositivo que funciona en estas condiciones, una
parte de la curva de corriente inversa se conoce como región Zener.
Figura 4.13. Región Zener
De acuerdo con la curva característica anterior, cuando un diodo Zener se polariza
en modo inverso, el diodo actúa como un interruptor cerrado (igual que un diodo de
unión normal). La corriente directa aumenta con la tensión aplicada y esta limitada
prácticamente por parámetros externos del circuito. Cuento el diodo está polarizado
en sentido inverso, produce una pequeña i inversa llamada de saturación, esta
permanece relativamente constante hasta que se alcanza la región de ruptura Zener
en la proximidad de la tensión Zener del dispositivo. A pesar del aumento de
polarización inversa cerca de la tensión de ruptura la i inversa aumenta rápidamente
a causa del efecto de avalancha. Finalmente la ruptura Zener (caracterizada por un
brusco cambio de corriente) tiene lugar cuando se alcanza la tensión Zener. En esta
región, pequeñas variaciones de tensión dan por resultado grandes variaciones de
corrientes. Evidentemente hay cambios muy bruscos de resistencia efectiva en la
union p-n.
La ruptura Zener no origina necesariamente la destrucción de dispositivos. Mientras
la corriente esta limitada en el diodo por el circuito exterior hasta un nivel que no
exceda la capacidad de potencia del diodo éste continua funcionando normalmente.
Por otra parte reduciendo la polarización inversa por debajo de la tensión Zener, se
puede variar el nivel de tensión hasta restaurar el nivel de corriente de saturación. El
proceso de conmutación del diodo entre sus estados de corriente Zener y de
saturación puede ser repetido tantas veces como sea necesario sobre que se
deteriore el elemento.
3.3 Diodo Túnel
Diodo semiconductor que tiene una unión pn, en la cual se produce el efecto túnel
que da origen a una conductancia diferencial negativa en un cierto intervalo de la
característica corriente-tensión.
La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización como
componente activo (amplificador/oscilador).
El diodo túnel está más contaminado que el diodo zener, provocando que la zona
desértica sea más pequeña. Esto aumenta la velocidad de operación, por lo que el
diodo túnel es útil en aplicaciones de alta velocidad. Conforme aumenta la
polarización directo, la corriente aumenta con mucha rapidez hasta que se produce la
ruptura. Entonces la corriente cae rápidamente. El diodo túnel es útil debido a esta
cesión de resistencia negativa. La región de resistencia negativa de un diodo túnel se
desarrolla de manera característica en el intervalo de 50 mV a 250 mV.
3.4 Diodo varactor
El Varicap
El Varicap (Epicap, capacidad controlada por tensión o diodo de sintonía) es un
diodo que se comporta como un condensador donde la capacidad esta controlada
por la tensión.
Las regiones p y n se comportan como las placas de un condensador y la zona de
deplexión es como el dieléctrico.
En inversa la anchura de la "Zona de deplexión" aumenta con la tensión inversa y la
capacidad disminuye.
3.5 Diodo PIN
Diodo PIN
(Del inglés P region-Intrinsic region-N region)
Unión pn semiconductora que posee dos regiones, una fuertemente dopada n,
representada como n++, y otra fuertemente dopada p, representada por p++, y una
zona intrínseca de dopado muy débil.
El diodo que tiene la región poco contaminada y casi intrínseca entre las regiones de
y n se llama diodo Pinto. El nombre se deriva del material intrínseco entre las capas
p y n. Debido a su construcción, el diodo quien tiene baja capacitancia y, por tanto,
encuentra aplicación en frecuencias altas. Cuando se polariza en directo, la inyección
de portadores minoritarios aumenta la conductividad de la región intrínseca. Cuando
se polariza en inverso, la región i se vacía totalmente de portadores y la intensidad
del campo a través de la región es constante.
3.6 Diodo Schottky
El diodo Schottky
A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fácilmente cuando la
polarización cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el
tiempo de conmutación puede llegar a ser muy alto, poniendo en peligro el
dispositivo.
El diodo Schottky es la solución ya que puede conmutar más rápido que un diodo
normal. El diodo Schottky con polarización directa tiene 0,25 V de barrera de
potencial frente a los 0,7 V de un diodo normal. Puede rectificar con facilidad a
frecuencias superiores a 300 MHz.
3.7 Dispositivos ópticos
3.7.1 Fotodiodo
El fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor común, pero tiene una
característica que lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad
de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide (lo ilumina). Esta
corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente
de fuga.
Luz incidente
Sentido de la corriente generada
El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz, pues convierte la luz
en electricidad y esta variación de electricidad es la que se utiliza para informar que
hubo un cambio en el nivel de iluminación sobre el fotodiodo.
Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule la corriente en el
sentido de la flecha (polarizado en sentido directo), la luz que lo incide no tendría
efecto sobre él y se comportaría como un diodo semiconductor normal.
La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la
cantidad de luz que lo incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente.
A diferencia del LDR o fotorresistencia, el fotodiodo responde a los cambios de
oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en
circuitos con tiempo de respuesta más pequeño.
Si se combina un fotodiodo con una transistor bipolar, colocando el fotodiodo entre el
colector y la base del transistor (con el cátodo del diodo apuntado al colector del
transistor), se obtiene el circuito equivalente de un fototransistor.
3.7.2 Diodo emisor de luz
LED´S
LED (light Emitting Diode) o SSL (Solid State Lamp) lampara de estado sólido
Ventajas del SSL
1. Tienen una respuesta sumamente rápida de tiempo, esto es el encendido y
apagado que puede ser del orden de nseg o pocos µseg o inclusive pseg de tiempo,
también tiene una larga y una gran rigidez mecánica de tiempo, también tienen una
larga y una gran rigidez mecánica, además tiene baja impedancia lo que les permite
acoplarse a circuitos muy diversos en forma semejante a un diodo convencional.
2. La luz de salida es predominantemente monocromática.
En cualquier semiconductor se produce una conexión de par hueco electrón al
fusionarse un hueco y electrón intercambian energía
En el intercambio de energía desprende luz visible y calor, todas la uniones trabajan
caliente. El LED es un dispositivo en el que intencionalmente se busca el
aprovechamiento de luz.
Cualquier diodo emite luz. El LED es una unión p-n hecho intencionalmente para
aprovechar la luz.
En una mesa de material aislante se le pone una diminuta pastilla, esta pastilla se
encarga en radiar los electrones.
Los LED'S pueden trabajar hasta 100000 horas lo cual es un tiempo muy grande de
funcionamiento.
Si los alimentas con corriente alterna y lo switcheas te da mas utilidad.
Los colores estan dados por el tipo de agente contaminate. La luz es un factor muy
importante para estos elementos.
Otra de las aplicaciones de los LED´S es la transferencia de luz como datos.
La información que se ponga en la fuente f va a hacer transmitida por luz (por el
LED) y es recibida por el emisor que la convierte a una señal eléctrica. Esto genera
un acoplador óptico (optoacopladores).
Siempre va haber un LED de entrada y en la salida puede haber un semi-conductor.
3.7.3 Diodo láser
un diodo láser, también conocido como un láser de inyección o láser de diodo, es un
dispositivo de semiconductor que produce radiación coherente (en cuál todas las ondas son
en la misma frecuencia y fase) en el espectro visible o infra-rojo (IR) cuando la corriente pasa
a través de ella. Los diodos láser se utilizan en los sistemas de la fibra óptica, discos
compactos (musica), impresoras de láser, dispositivos teledirigidos, y sistemas de la detección
de intrusión."
La construcción de un Diodo Láser
Se enseña la estructura básica en capas de un láser de diodo simple en la
figura 6.24.
Las capas de los materiales semiconductores están dispuestas de modo
que se crea una región activa en la unión p-n , y en la que aparecen
fotones como consecuencia del proceso de recombinación . Una capa
metálica superpuesta a las caras superior e inferior permite aplicar un
voltaje externo al láser . Las caras del semiconductor cristalino están
cortadas de forma que se comportan como espejos de la cavidad óptica
resonante.
Figura 6.24: Estructura básica de un láser de diodo
La Figura 6.25 describe la forma en que la radiación láser electromagnética
es emitida para un láser simple de diodo. La radiación láser tiene forma
rectangular y se difunde a diferentes ángulos en dos direcciones.
Figura 6.25: Perfil de la radiación láser emitida por un diodo láser simple
Más tarde describiremos unas estructuras y diseños especiales que
permiten confinar la zonas activa en una región más pequeña , y controlar
así el perfil del haz láser conseguido.
Sumario de los Láseres de Diodo hasta éste punto:
Los portadores de carga en un láser de diodo son los electrones
libres en la banda de conducción, y los agujeros positivos en la
banda de valencia.
En la unión p-n , los electrones "caen" en los agujeros , que
corresponden a niveles de energía más bajos
El flujo de corriente a través de la unión p-n del láser de diodo
ocasiona que ambos tipos de portadores (agujeros y electrones ) se
recombinen , siendo liberada energía en forma de fotones de luz.
La energía de un fotón es aproximadamente igual a la de la brecha
de energía.
La brecha de energía viene determinada por los materiales que
componen el diodo láser y por su estructura cristalina.
Curva I-V de un Diodo Láser
Si la condición requerida para la acción láser de inversión de población no
existe , los fotones serán emitidos por emisión espontánea. Los fotones
serán emitidos aleatoriamente en todas las direcciones , siendo ésta la
base de los LED - diodo emisor de luz .
La inversión de población sólo se consigue con un bombeo externo.
Aumentando la intensidad de la corriente aplicada a la unión p-n , se
alcanza el umbral de corriente necesario para conseguir la inversión de
población .
En la figura 6.26 se muestra un ejemplo de la potencia emitida por un
diodo láser en función de la corriente aplicada. Se aprecia enseguida que
la pendiente correspondiente a la acción láser es mucho mayor que la
correspondiente a un led.
Figura 6.26: Potencia de emisión de un diodo láser en función de la
corriente aplicada.
El umbral e corriente para el efecto láser viene determinado por la
intersección de la tangente de la curva con el eje X que indica la corriente
( esta es una buena aproximación ) Cuando el umbral de corriente es bajo
, se disipa menos energía en forma de calor , con lo que la eficiencia del
láser aumenta. En la práctica , el parámetro importante es la densidad de
corriente , medida en A/cm2 , de la sección transversal de la unión p-n .
Dependencia de los parámetros del diodo láser de la temperatura
Uno de los problemas básicos de los diodos láser es el aumento del umbral
de corriente con la temperatura . Los operativos a bajas temperaturas
requieren bajas corrientes . A medida que la corriente fluye por el diodo ,
se genera calor . Si la disipación no es la adecuada , ta temperatura
aumenta , con lo que aumenta también el umbral de corriente .
Además , los cambios en temperatura afectan a la longitud de onda
emitida por el diodo láser . Este cambio se ilustra en la figura 6.27. , y se
compone de dos partes :
1. Un aumento gradual de la longitud de onda emitida proporcional al
aumento de temperatura , hasta que :
2. Se produce un salto a otro modo longitudinal de emisión
Figura 6.27: cambio de la longitud de onda emitida en función de la
temperatura
Debido a estas variaciones con la temperatura , se necesitan diseños
especiales para poder conseguir una emisión continua de alta potencia.
Confinamiento de la luz dentro de la zona activa
Un factor importante en la construcción de un diodo láser es el
confinamiento de la luz dentro del área activa . Dicho confinamiento se
acompaña por la deposición de distintos materiales cerca de la zona activa
. En consecuencia , la primera clasificación de los láseres de diodo
considera los tipos de estructura cercanos a la zona activa (ver fig. 6.28)
El nombre de cada grupo o familia viene dado por el tipo de materiales
existentes cerca de la capa activa :
Homojunction laser - Láser de unión homogénea - Todo el láser está
constituido por un mismo material , normalmente GaAs - Arsenuro de
Galio . En este tipo de estructura simple , los fotones emitidos no están
confinados en direcciones perpendiculares al eje del láser , con lo que su
eficiencia es muy baja .
Single Heterostructure - Estructura heterogénea simple - En un lado de la
capa activa existe otro material con una brecha de energía diferente . Esta
diversidad de brechas de energía motiva un cambio en el índice de
refracción de los materiales , de modo que se pueden construir estructuras
en guía de ondas que confinan a los fotones en un área determinada .
Normalmente , la segunda capa es de un material similar al de la primera ,
solo que con un índice de refracción menor .
Ejemplo: El GaAs - Arsenuro de Galio - y el GaAlAs - Arsenuro de Galio
Aluminio - son materiales próximos utilizados habitualmente .
Double Heterostructure - Estructura heterogénea doble - Un material
distinto se coloca a ambos lados de la capa activa , con un índice de
refracción menor (mayor brecha de energía) . Este tipo de estructuras
confinan la luz dentro de la capa activa , por lo que son más eficientes .
Ejemplo: Capa activa de GaAs confinada entre dos capas de GaAlAs.
Distintas Estructuras de los Diodos Láser
Hoy en día una estructura habitual es una tira estrecha de la capa activa (
Stripe Geometry - Geometría en tiras ), confinada por todos los lados (
tanto por los lados como por arriba y abajo ) con otro material . Esta
familia de láseres se denomina Index Guided Lasers - Láseres orientados
al índice
En la figura 6.28 se detallan distintas estructuras de confinamiento
utilizadas .
Figura 6.28: Ejemplos de distintos tipos de estructura de confinamiento
Diodos Láser orientado a Ganancia - Gain Guided
Aislando los electrodos metálicos en las partes superior e inferior , se
limita la zona por donde pasa la corriente . Como resultado , la inversión
de población sólo tiene lugar en la zona específica por donde pasa la
corriente .
Un ejemplo está en la figura 6-28 (última figura) , en donde un electrodo
de tira delgada se sobrepone al material láser . La corriente limita el área
en la zona activa en donde puede existir el efecto de amplificación , y ésta
sólo podrá existir en ésta zona .
Las ventajas de este tipo de láseres de diodo son :
1.Fáciles de producir
2.Es relativamente fácil conseguir una potencia alta , ya que al aumentar
la corriente aumenta la zona activa
Las desventajas son :
1.La calidad del haz obtenido es menor que con los orientados al índice .
2.Es más difícil conseguir una emisión estable en frecuencia simple .
Monturas de los Láser de Diodo
Se requieren monturas especiales para los láseres de diodo , debido a su
tamaño miniaturizado , para poder ser operativos y cómodos. Existen
muchos tipos de monturas , pero quizás el más estándar es similar a un
transistor , e incluye en la montura las ópticas necesarias para colimar el
haz (ver figura 6.29)
Figura 6.29a: Montura de un láser de diodo comercial
Figura 6.29b: Sección perpendicular
Para poder obtener más potencia de los láseres de diodo , se han
desarrollado matrices de diodos láser , que emiten sincronizadamente , y
que están ópticamente acoplados , de modo que se alcanzan las décimas
de vatio .
Ventajas de los diodos láser

Son muy eficientes ( más del 20% de la energía suministrada se
consigue en forma de radiación láser )

Son muy fiables

Tienen vidas medias muy largas ( ¡ estimadas en más de 100 años
de operación continuada ! ).

Son muy baratos ( se construyen con técnicas de producción en
masa utilizadas en la industria electrónica )

Permiten la modulación directa de la radiación emitida , simplemente
controlando la corriente eléctrica a través de la unión p-n . La
radiación emitida es función lineal de la corriente , pudiéndose
modular a décimas de GHz
Ejemplo : En un sistema experimental , y utilizando fibras ópticas de
modo simple , se transmite información a 4 [GHz], lo que es
equivalente a la emisión simultánea de 50,000 llamadas telefónicas
en una fibra (cada llamada ocupa una banda de frecuencia de 64
[KB/s]).




Volumen y peso pequeños
Umbral de corriente muy bajo
Consumo de energía muy bajo
Banda del espectro estrecha , que puede llegar a ser de unos pocos
kilo-Herz en diodos láser especiales
Cavidades ópticas especiales en los diodos láser
La cavidad óptica más simple es la creada al pulir los extremos del cristal
de semiconductor del que se compone el láser. El pulido crea un plano
perpendicular al plano del medio activo , de modo que es perpendicular al
eje del láser.
Debido al alto índice de refracción (n» 3.6) de los materiales utilizados , la
reflexión de la cara pulida es de aproximadamente el 30%. Es posible
cambiar esta reflexión utilizando técnicas de metalizado en capas . Un tipo
de capa es el 100% reflectante en uno de los lados del diodo láser .
En algún tipo de láser , las pérdidas que atraviesan la capa trasera son
utilizadas para controlar la potencia emitida por la parte delantera ,
obteniéndose una retro-alimentación en tiempo real .
Un tipo distinto y más complicado puede fabricarse integrando una red de
difracción cerca de la capa activa del láser. Existen dos tipos de estructura
que utilizan redes de difracción en vez de capa espejada en un extremo de
la cavidad ( ver figura 6.30 ) :
1.DFB = Distributed FeedBack Laser - - Retroalimentación distribuida - la
red de difracción se distribuye a lo largo de todo el medio activo . La
longitud de onda de la red determina la longitud de onda emitida por el
láser , en una línea muy fina del espectro.
2.DBR = Distributed Bragg Reflector - Reflector de Bragg distribuido - la
red de difracción está fuera de la zona activa , en donde no circula
corriente ( parte pasiva de la cavidad )
Figura 6.30: Cavidades ópticas especiales utilizadas para obtener líneas de
emisión estrechas
Diodos láser Acoplados
Existen también estructuras especiales en donde dos láseres se acoplan
ópticamente . La radiación emitida por el primer láser es transferida al
segundo , que es controlado por otra fuente de alimentación . Un ejemplo
puede verse en la figura 6.31
Figura 6.31: Láser de diodo con acoplamiento óptico
3.7.4 Celda fotovoltaica
Fotovoltaica es la conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico. Algunos
materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico que hace que absorban
fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado
es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.
El primero en notar el efecto fotoeléctrico fué el físico francés Edmundo Bequerel, en 1839. Él
encontró que ciertos materiales producían pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando
eran expuestos a la luz. En 1905, Albert Einstein describió la naturaleza de la luz y el efecto
fotoeléctrico, en el cual está basada la tecnología fotovoltaica. Por este trabajo, se le otorgó
más tarde el premio Nobel de física. El primer módulo fotovoltaico fue construido en los
Laboratorios Bell en 1954. Fue descrito como una batería solar y era más que nada una
curiosidad, ya que resultaba demasiado costoso como para justificar su utilización a gran
escala. En la década de los 60's, la industria espacial comenzó por primera vez a hacer uso de
esta tecnología para proveer la energía eléctrica a bordo de las naves espaciales. A través de
los programas espaciales, la tecnología avanzó, alcanzó un alto grado de confiabilidad y se
redujo su costo. Durante la crisis de energía en la década de los 70's, la tecnología fotovoltaica
empezó a ganar reconocimiento como una fuente de energía para aplicaciones no relacionadas
con el espacio.
El diagrama ilustra la operación de una celda fotovoltáica, llamada también celda solar. Las
celdas solares están hechas de la misma clase de materiales semiconductores, tales como el
silicio, que se usan en la industria microelectrónica. Para las celdas solares, una delgada rejilla
semiconductora es especialmente tratada para formar un campo eléctrico, positivo en un lado y
negativo en el otro. Cuando la energía luminosa llega hasta la celda solar, los electrones son
golpeados y sacados de los átomos del material semiconductor. Si ponemos conductores
eléctricos tanto del lado positivo como del negativo de la rejilla, formando un circuito
eléctrico, los electrones pueden ser capturados en forma de una corriente eléctrica -- es decir,
en electricidad. La electricidad puede entonces ser usada para suministrar potencia a una
carga, por ejemplo para encender una luz o energizar una herramienta.
Un arreglo de varias celdas solares conectadas eléctricamente unas con otras y montadas en
una estructura de apoyo o un marco, se llama módulo fotovoltaico. Los módulos están
diseñados para proveer un cierto nivel de voltaje, como por ejemplo el de un sistema común
de 12 voltios. La corriente producida depende directamente de cuánta luz llega hasta el
módulo.
Varios módulos pueden ser conectados unos con otros para formar un arreglo. En general,
cúanto más grande es el área de un módulo o arreglo, más electricidad será producida. Los
módulos y arreglos fotovoltaicos producen corriente directa (CC). Estos arreglos pueden ser
conectados tanto en serie como en paralelo para producir cualquier cantidad de voltaje o
corriente que se requiera.
Hoy en día, los dispositivos fotovoltaicos (FV) más comunes usan una sola juntura o interfase
para crear un campo eléctrico dentro de un semiconductor, como por ejemplo una celda FV.
En una celda FV de una sola juntura, solamente aquellos fotones cuya energía sea igual o
mayor a la del espacio interbanda del material de la celda, pueden liberar un electrón para ser
usado en un circuito eléctrico. En otras palabras, la reacción fotovoltaica de las celdas de una
sola juntura está limitada a la porción del espectro solar cuya energía esté por encima del
espacio interbanda del material absorbente, y por tanto aquellos fotones con energías más
bajas no son utilizados.
Una manera de sortear esta limitación es usando dos (o más) celdas diferentes, con más de un
espacio de banda y más de una juntura, para generar un voltaje. Este tipo de celdas son
conocidas como celdas "multijuntura" (también llamadas celdas "de cascada" o "tandem").
Los dispositivos multijuntura pueden lograr una mayor eficiencia de conversión total porque
pueden convertir una fracción más grande del espectro luminoso en electricidad.
Como se muestra abajo, un dispositivo multijuntura es un conjunto de celdas individuales de
una sola juntura, colocadas en orden descendente de acuerdo a su espacio de banda (Eg). La
celda más alta captura los fotones de alta energía y deja pasar el resto de los fotones hacia
abajo para ser absorbidos por las celdas con espacios de bandas más bajos.
Muchas de las investigaciones que se realizan en la actualidad sobre celdas multijuntura están
enfocadas al uso del arseniuro de galio en uno (o en todos) de los componentes de las celdas.
Tales celdas han alcanzado eficiencias de alrededor del 35% bajo luz solar concentrada. Otros
materiales estudiados para su uso en dispositivos multijuntura son por ejemplo, el silicio
amorfo y el diseleniuro de indio con cobre.
Como ejemplo de esto, el dispositivo multijuntura que se muestra abajo, utiliza una celda
superior de fosfato de indio con galio, una juntura "de túnel" para facilitar el flujo de
electrones entre las celdas, y una celda inferior de arseniuro de galio.
3.7.5 Fotorresistencias
Fotoresistencias
Estas resistencias, también conocidas como LDR, se caracteriza por su disminución
de resistencia a medida que aumenta la luz que incide sobre ellas.
Las principales aplicaciones de estos componentes están en controles de
iluminación, control de circuitos con relés, en alarmas, etc.
Una fotorresistencia se compone de un material semiconductor cuya resistencia varia en
función de la iluminación. La fotorresistencia reduce su valor resistivo en presencia de rayos
luminosos. Es por ello por lo que también se le llama resistencias dependientes de luz (light
dependent resistors), fotoconductores o células fotoconductoras.
Cuando incide la luz en el material fotoconductor se generan pares electrón - hueco. Al haber
un mayor número de portadores, el valor de la resistencia disminuye. De este modo, la
fotorresistencia iluminada tiene un valor de resistencia bajo.
Figura 10: Fotogeneración de portadores
Si dejamos de iluminar, los portadores fotogenerados se recombinarán hasta volver hasta sus
valores iniciales. Por lo tanto el número de portadores disminuirá y el valor de la resistencia
será mayor.
Figura 11: Estado de conducción sin fotogeneración
Por supuesto, el material de la fotorresistencia responderá a unas longitudes de onda
determinadas. Es decir, la variación de resistencia será máxima para una longitud de onda
determinada. Esta longitud de onda depende del material y el dopado, y deberá ser
suministrada por el proveedor. En general, la variación de resistencia en función de la longitud
de onda presentan curvas como las de la figura siguiente.
Figura 12: Variación de resistencia en función de la longitud de onda de la radiación.
El material mas utilizado como sensor es el CdS, aunque también puede utilizarse Silicio,
GaAsP y GaP.
4. Dispositivos bipolares y monopolares
4.1 Dispositivos bipolares
4.1.1 1Funcionamiento del transistor BJT
Transistor Bipolar de Unión (BJT).
Un transistor bipolar consiste fundamentalmente en dos uniones p-n
contrapuestas, contenidas en un solo cristal semiconductor. Las dos uniones de un
transistor dan lugar a tres regiones denominadas emisor, base y colector.

Emisor: Es la terminal encargada de dar a los portadores mayoritarios a el
colector, pasando por un a regulación de la base.

Colector: Terminal que da la salida a la carga, está recoge los portadores
que se dá por resultado de una anterior regulación de la base.

Base: Terminal encargada del corte o libre transito de la corriente de
emisor a colector.
En función del tipo de impurezas de las tres regiones (dopado), los
transistores se dividen en dos tipos fundamentales: npn y pnp. La flecha sobre la
terminal del emisor obedece a dos propósitos. Primero, establece la distinci&oacuten
entre las terminales del colector y del emisor. Segundo, la flecha indica la dirección
del flujo convencional de corriente a través del dispositivo, y permite discriminar entre
el
símbolo
para
el
transistor
npn
y
su
contraparte
pnp.
El funcionamiento de los dos tipos es similar; la diferencia esencial es que en el
tipo pnp los huecos son los portadores principales de la carga, mientras que en los
del tipo npn los portadores más principales son los electrones. Esta es la causa que
obliga a polarizaciones distintas para cada tipo.
Funcionamiento del transistor Bipolar de Unión (BJT).
El transistor en funcionamiento normal, la unión emisor-base está polarizado
en directo y la unión colector-base está polarizada en inverso. En el caso de la
estructura esquemática npn, los electrones se inyectan desde el emisor tipo n hacia
la base y, al mismo tiempo, se inyectan huecos de la base al emisor. Para mejorar la
eficiencia del dispositivo, el nivel de contaminación de la región base se hace mucho
más bajo que el del emisor; prácticamente sólo fluye corriente de electrones a través
de la unión emisor-base, y el nivel de inyección es controlado (en forma exponencial)
por
el
potencial
de
polarización
directa
emisor-base
(VBE).
Los electrones inyectados desde el emisor se convierten en portadores
minoritarios en la base tipo p y, como la unión colector-base está polarizada en
inversa, estos portadores minoritarios cruzan la base por difusión son llevados a
través de la región de transición colector-base. Como los electrones requieren un
tiempo finito para transitar a través de la región de base, algunos se recombinan con
huecos; los huecos que participan en esta recombinación son reemplazados por un
flujo de carga positiva hacia la base (por medio de su conexión a la fuente de
polarización), lo que tiene como resultado una corriente de base (IB).
El funcionamiento del transistor se puede resumir con ayuda de la siguiente
figura(B). La corriente de electrones en el colector es casi toda la corriente inyectada
desde el emisor, disminuida por la que se ha perdido como corriente de base debido
a la recombinación. Esta consideración desprecia la inyección de huecos de la base
al emisor y a la fuga de huecos del colector a la base, procesos que contribuyen a la
corriente del dispositivo y por ende degradan la eficiencia total.
Figura B
4.1.2 Polarización del transistor bipolar BJT
Polarización.
Es un termino referente a la aplicación de fuentes de voltaje conectadas a un
transistor, de tal forma qoe lo hagan trabajar y encontrar un punto optimo para su
desempeño en su posterior configuración. Cabe señalar que el transistor basa su
funcionamiento utilizando corrientes, es decir se le adaptará al circuito original
elementos que nos den como resultado diferentes corrientes circulantes dentro del
circuito.
Existen cuatro condiciones de polarización posibles. Dependiendo del sentido
o signo de los voltajes de polarización en cada una de las uniones del transistor
pueden ser :

Región activa directa: Corresponde a una polarización directa de la unión
emisor - base y a una polarización inversa de la unión colector - base. Esta es
la región de operación normal del transistor para amplificación.

Región activa inversa: Corresponde a una polarización inversa de la unión
emisor - base y a una polarización directa de la unión colector - base. Esta
región es usada raramente.

Región de corte: Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones.
La operación en ésta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el
modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (IC 0).

Región de saturación: Corresponde a una polarización directa de ambas
uniones. La operación en esta región corresponde a aplicaciones de
conmutación en el modo encendido, pues el transistor actúa como un
interruptor cerrado (VCE 0).
Polarización fija.
En los circuitos de polarización fija tiene una desventaja, ya que si se usan
varios transistores del mismo tipo, la beta de cada uno de ellos puede variar debido a
la temperatura, y si se desea tener una corriente de colector constante entonces por
cada transistor que se pruebe se tendrá que cambiar cada vez la resistencia de base,
para controlar la corriente de base de tal manera que cone sto se logrará mantener
fija la corriente de colector. Para compensar o solucionar lo anterior se usa la
polarización automatica (retroalimentada por colector).
Polarización automatica.
El circuito de la figura 3a representa la polarización automatica del transistor y
con este circuito se compensa las variaciones que pudiera tener la corriente de
colector debido a las variaciones de beta por efecto de la temperatura. De la
ecuación correspondiente a la corriente del colector se puede observar que la beta
no
influye
tanto
en
el
valor
de
la
corriente
del
colector.
El circuito de la figura 3b servirá para determinar la corriente de base que
circula por la resistencia de base y la figura 3c servirá para determinar el valor de la
corriente
de
colector
en
función
de
beta.
Si se considerá que la corriente de base es muy pequeña con respecto a la
corriente de colector, esta se puede despreciar de tal manera que nos queda el
circuito de la figura 4 de donde se podrá determinar el valor del voltaje colectoremisor en el punto Q.
4.1.3 Aplicaciones básicas
TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR
Los transitores bipolares de unión (BJT) se usan mucho como dispositivos
amplificadores y, como son dispositivos de tres terminales, hay varias maneras de
averiguar cuál par de terminales conforma el puerto de entrada y cuál el de salida.
Las tres configuraciones útiles (en las que la entrada puede controlar la salida)
se describen a continuación.
Emisor-común.
Es la configuración más utilizada para los transistores PNP y NPN. Se le
denomina configuración de emisor común debido a que el emisor es común tanto a la
terminal
de
base
como
a
la
del
colector.
En la región activa la unión colector-base estará polarizada inversamente y la
unión
base-emisor
se
encuentra
polarizada
directamente.
En la región de corte existirá para fines de conmutación, cuando I B=0 A ó Ic=ICEO,
pero sólo para los transistores de silicio. Para los de germanio existira cuando
Ic=ICBO.
Base-común.
En esta configuración los potenciales aplicados se describen con respecto al
potencial
de
la
base
que
se
produce
entre
VEB
y
VCB.
En la región activa de la unión del colector estará polarizada inversamente.
En la región de corte la unión del colector y el emisor ambos estarán polarizados
inversamente y en la región de saturación la unión del colector y emisor estarán
polarizados
directamente.
Las configuraciones correspondientes tanto para el transistor PNP y NPN
pueden
observarse
en
las
figuras
1a)
y
1b).
En donde todas las direcciones de las corrientes se referirán a la dirección
convencional, en donde el flujo es de los huecos en lugar de los electrones, la
dirección de las corrientes indican la dirección real del flujo en la región activa.
Colector-común.
La configuración colector-común por lo regular se usa como un acoplador de
impedancia devido a que tiene una elevada impedancia de entrada y una baja
impedancia de salida. Las curvas características se observan en la figura (2) donde
esta dependerá de los incrementos que tenga la corriente de base.
Por lo tanto la corriente de entrada tal como se puede observar será la misma
para la configuración de emisor-común y la de colector-común.
4.2 Dispositivos monopolares
4.2.1 Estructura y construcción de los FET
El transistor de efecto campo (FET: Field Effect Transistor)
El FET es un dispositivo de estado solido, el cual opera controlado por
un voltaje, ya sea con corriente de electrones o con corrientes de huecos.
El FET se diferencia de un transistor bipolar debido a que tiene las
siguientes características :
1. Su resistencia de entrada es muy alta (100 M ) y el BJT es de 2K.
2. No tiene voltaje de unión cuando se usan como interruptor no le afecta la
radiación.
3. Induce menos ruido.
4. Proporciona una mayor estabilidad termica.
Las figuras 1a y 1b muestran la estructura fisica y simbolo del FET, la
figura 1a representa al FET de canal tipo N, y este se construye empleando una
barra de material N, dentro del cual se difunden un par de regiones tipo P. La
figura 1b es un FET de canal P y este se construye empleando un material tipo
P dentro del cual se difunden dos regiones tipo N.
Las flechas en las compuertas muestran de que tipo será, esto es canal P o
canal N tal como de puede observar en los simbolos correspondientes.
G Compuerta
Fuente
S
P
Mat. n
P
D
Drenaje
Figura 1a) Estructura del FET de canal N
S
D
G
Figura 1b) Simbolo del FET de canal N
4.2.2 Funcionamiento del FET
Operación básica del FET
FET de canal N.
El circuito de la figura 2 va a ser la fuente de alimentación, la cual
proporcionara un voltaje a través de la fuente drenaje (V DS). VDS producirá una
corriente de drenaje a la fuente, esta corriente atraviesa el canal establecido por la
compuerta tipo P. También se observa una fuente entre la la compuerta y la fuente
(VGS) la cual esta colocada devido al voltaje de (VGG). La polaridad de este voltaje
(compuerta-fuente) polariza inversamente la unión interna entre la fuente y la
compuerta por lo tanto no se produce ninguna corriente de compuerta.
El efecto del voltaje compuerta-fuente creará una región de vaciamiento en el
canal N por lo cual se reducirá el ancho de este, de tal manera que se incrementa la
resistencia drenbaje-fuente produciendose por lo tanto una corriente de drenaje
menor. De la figura 3 se observa que la corriente del drenaje através del material N
de (drenaje a fuente) producirá una caida de voltaje a lo largo del canal la cual será
más positiva en la unión (drenaje-compuerta) que en la unión (fuente-compuerta).
Este voltaje de polarización inversa en la unión interna PN formará una región de
vaciamiento
tal
como
se
observa
en
la
figura
3a.
Si el voltaje de la fuente se sigue incrementado la corriente de drenaje
aumentará produciendo una región de vaciamiento mayor, de tal manera que la
región de vaciamiento se formará por completo a través del canal tal como se
observa en la figura 3b. Cualquier aumento adicional del voltaje de la fuente
producirá un aumento en la corriente de drenaje, y aun cuando se sigue
incrementando el voltaje llegará un punto en el cual la corriente permanecerá
constante siempre con el voltaje compuerta-fuente = 0, lo anterior se puede observar
en
la
figura
3c.
Se dice que la coriente de drenaje se satura manteniendo contante su valor aun
cuando se incremente el voltaje drenaje-fuente. Cuando se tiene esta condición la
corriente
de
drenaje
se
especificará
como
(IDSS).
FET de canal P.
Las figuras 4a, 4b y 4c muestran la operación del dispositivo de canal tipo P
opera
de
la
siguiente
manera.
Cuando el voltaje VGS (compuerta-fuente) se hace menor que cero volts pero
mayor que el voltaje de oclución (VP), existira una corriente de drenaje ID la cual será
ajustada por el voltaje compuerta-fuente, siendo la corriente de compuerta = 0 (figura
4a). No pasará corriente alguna a través de la unión compuerta-fuente, ya que esta
polarizada
inversamente.
Cuando el voltaje compuerta-fuente se igual a cero el nivel de la corriente de
drenaje adquirirá un valor importante y se designará como I DSS. La corriente de
compuerta seguira siendo 0 Amp. y si el voltaje de compuerta-fuente se incrementa a
un valor mayor o igual al voltaje de oclusión más negativo que el necesario para
ocluir el canal, la corriente de drenaje se reduce a cero y el dispositivo en estas
condiciones se comporta tal como se observa en la figura 4c.
De las figuras (5a, 5b y 5c) muestran las características drenaje-fuente en donde
se observa que cuando VGS=0 la curva muestra que la corriente de drenaje se
incrementa conforme se aumenta el voltaje VDS (figura 5a), hasta que los niveles de
coriente no aumenten más, y esto se debe a la región de vaciamiento que limita la
corriente de drenaje.. También se tiene que cuando VGS=0 la corriente de drenaje se
desina
por
IDSS
(corriente
de
saturación).
Si el voltaje compuerta-fuente se le asigna un valor
este
4.2.3 Funcionamiento del MOSFET
Transistor por efecto de campo a semiconductor de oxido de metal (Metal
oxide semiconductor field efect transistor-MOSFET). Tambien se conocen con el
nombre de transitores por efecto de campo de gate aislado (insulated gate field
efect transistor IGFET). Este tipo de FET se subclasifica en :
MOSFET de canal N
MOSFET de canal P
De agotamiento ( Depletion )
De agotamiento ( Depletion )
Crecimiento ( Enhancement )
Crecimiento ( Enhancement )
Agotamiento-crecimiento ( Depletion- Agotamiento-crecimiento ( Depletionenhancement )
enhancement )
Los MOSFET o IGFET constituyen los transistores por efecto de campo de
mayor aplicacion practica, cuya principal caracteristica de contruccion la
representa la forma de ocupar el gate.
MOSFET de canal N.
Estructura fisica.
Se forma de una barra de silicio tipo P, la cual actua como una especie de
base o estructura para las partes principales del dispositivo y viene a constituir a
la vez, una de las terminales del MOSFET, a la cual se le da el nombre se
substrato (base). Dentro de esa barra de silicio tipo P , se han difundido dos tiras
semiconductoras separadas tipo N , con su respectiva terminal de conexion, en
donde una corresponde al source y la sobrante al drain. En la estructura de este
MOSFET destaca tambien una capa semiconductora tipo N difundidad dentro del
substrate , y debido a que queda dispuesta entre las tiras semiconductoras
correspondientes al source y drain, de hecho actua como un canal semiconductor
de acoplamiento entre esos electrodos y es precisamente esta tira conductora, la
que determina el calificativo de MOSFET de canal N.
Funcionamiento del MOSFET canal N ( modo de agotamiento ).
Considerando el potencial gate-source (VGS) igual a cero, la corriente de
source a drain alcanza su maximo valor, debido a que la anchura del canal es
maxima ( minimo agotamiento de portadores ) y por la misma causa la resistencia
es minima, cuya intensidad en este caso queda detreminada por la resistencia del
canal y el potencial de la bateria. Sin embargo, cuando el gate recibe un potencial
negativo con relacion al source, la corriente del drain decrece, tanto mas cunato
mayor es la polarizacion aplicada, alcanzando el punto de corte ( Id = 0 mA ),
cuando esa tension cierre de modo material el ancho del canal, causando un
agotamiento total de portadores; lo que trae como consecuencia una alta
resistencia del canal y obviamente minima o cero corriente del drain.
Funcionamiento del MOSFET canal N ( modo de crecimiento ).
Este tipo de MOSFET, posee una estructura similar al MOSFET en modo
de agotamiento; con la diferencia de que los MOSFET para modo crecimiento
carecen de canal difundido entre el source y el drain. Sin embargo, este canal se
forma entre source y drain cuando el bias es aplicado al gate; en consecuencia, se
podria decir que en este tipo de MOSFET, el substrate actua como canal
acoplador entre source y drain.
MOSFET de canal P.
Funcionamiento del MOSFET canal P ( modo de agotamiento ).
Opera de forma similar al MOSFET canal N, salvo algunas diferencias
dentro de las cuales destacan las siguientes :

El drain recibe un potencial negativo con relacion al source.

El gate recibe potencial positivo con relacion al source (Bias).

La conduccion de corriente de source a drain es debida a portadores
positivos.
Funcionamiento del MOSFET canal P ( modo de crecimiento ).
Al igual que el MOSFET de canal N se diferencia por los siguiente:

El drain recibe un potencial negativo con relacion al source.

El gate recibe un potencial negativo con relacion al source (Bias).

La conduccion de corriente de source a drain es debida a portadores
positivos.