Omitir e ir al contenidoIr a la página de accesibilidad
Logo de OpenStax
Física Universitaria Volumen 3

9.7 Dispositivos semiconductores

Física Universitaria Volumen 39.7 Dispositivos semiconductores
  1. Prefacio
  2. Óptica
    1. 1 La naturaleza de la luz
      1. Introducción
      2. 1.1 La propagación de la luz
      3. 1.2 La ley de reflexión
      4. 1.3 Refracción
      5. 1.4 Reflexión interna total
      6. 1.5 Dispersión
      7. 1.6 Principio de Huygens
      8. 1.7 Polarización
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Óptica geométrica y formación de imágenes
      1. Introducción
      2. 2.1 Imágenes formadas por espejos planos
      3. 2.2 Espejos esféricos
      4. 2.3 Imágenes formadas por refracción
      5. 2.4 Lentes delgadas
      6. 2.5 El ojo
      7. 2.6 La cámara
      8. 2.7 La lupa simple
      9. 2.8 Microscopios y telescopios
      10. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    3. 3 Interferencias
      1. Introducción
      2. 3.1 Interferencia de doble rendija de Young
      3. 3.2 Matemáticas de la interferencia
      4. 3.3 Interferencias de rendijas múltiples
      5. 3.4 Interferencia de película delgada
      6. 3.5 El interferómetro de Michelson
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Difracción
      1. Introducción
      2. 4.1 Difracción de una rendija
      3. 4.2 Intensidad en la difracción de una rendija
      4. 4.3 Difracción de doble rendija
      5. 4.4 Rejillas de difracción
      6. 4.5 Aberturas circulares y resolución
      7. 4.6 Difracción de rayos X
      8. 4.7 Holografía
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Física moderna
    1. 5 Relatividad
      1. Introducción
      2. 5.1 Invariancia de las leyes físicas
      3. 5.2 Relatividad de la simultaneidad
      4. 5.3 Dilatación del tiempo
      5. 5.4 Contracción de longitud
      6. 5.5 La transformación de Lorentz
      7. 5.6 Transformación relativista de la velocidad
      8. 5.7 Efecto Doppler para la luz
      9. 5.8 Momento relativista
      10. 5.9 Energía relativista
      11. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Fotones y ondas de materia
      1. Introducción
      2. 6.1 Radiación de cuerpo negro
      3. 6.2 Efecto fotoeléctrico
      4. 6.3 El efecto Compton
      5. 6.4 Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno
      6. 6.5 Las ondas de materia de De Broglie
      7. 6.6 Dualidad onda-partícula
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    3. 7 Mecánica cuántica
      1. Introducción
      2. 7.1 Funciones de onda
      3. 7.2 El principio de incertidumbre de Heisenberg
      4. 7.3 La ecuación de Schrӧdinger
      5. 7.4 La partícula cuántica en una caja
      6. 7.5 El oscilador armónico cuántico
      7. 7.6 El efecto túnel de las partículas a través de las barreras de potencial
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 8 Estructura atómica
      1. Introducción
      2. 8.1 El átomo de hidrógeno
      3. 8.2 Momento dipolar magnético orbital del electrón
      4. 8.3 Espín del electrón
      5. 8.4 El principio de exclusión y la tabla periódica
      6. 8.5 Espectros atómicos y rayos X
      7. 8.6 Láseres
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    5. 9 Física de la materia condensada
      1. Introducción
      2. 9.1 Tipos de enlaces moleculares
      3. 9.2 Espectros moleculares
      4. 9.3 Enlaces en los sólidos cristalinos
      5. 9.4 Modelo de electrones libres de los metales
      6. 9.5 Teoría de bandas de los sólidos
      7. 9.6 Semiconductores y dopaje
      8. 9.7 Dispositivos semiconductores
      9. 9.8 Superconductividad
      10. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 10 Física nuclear
      1. Introducción
      2. 10.1 Propiedades de los núcleos
      3. 10.2 Energía de enlace nuclear
      4. 10.3 Decaimiento radioactivo
      5. 10.4 Reacciones nucleares
      6. 10.5 Fisión
      7. 10.6 Fusión nuclear
      8. 10.7 Usos médicos y efectos biológicos de la radiación nuclear
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 11 Física de partículas y cosmología
      1. Introducción
      2. 11.1 Introducción a la física de partículas
      3. 11.2 Leyes de conservación de las partículas
      4. 11.3 Cuarks
      5. 11.4 Aceleradores y detectores de partículas
      6. 11.5 El modelo estándar
      7. 11.6 El Big Bang
      8. 11.7 Evolución del universo primigenio
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
  12. Índice

Objetivos De Aprendizaje

Al final de esta sección podrá:

  • Describir lo que ocurre cuando se unen materiales de tipo n y p utilizando el concepto de difusión y corriente de deriva (tensión aplicada cero).
  • Explicar la respuesta de una unión p-n a un voltaje de polarización directa e inversa.
  • Describir la función de un transistor en un circuito eléctrico.
  • Utilizar el concepto de unión p-n para explicar sus aplicaciones en amplificadores de audio y computadoras.

Los semiconductores tienen muchas aplicaciones en la electrónica moderna. En esta sección describimos algunos dispositivos semiconductores básicos. Una gran ventaja del uso de semiconductores para los elementos de los circuitos es el hecho de que se pueden combinar muchos miles o millones de dispositivos semiconductores en la misma pieza minúscula de silicio y conectarlos mediante vías conductoras. La estructura resultante se denomina circuito integrado (Integrated Circuit, IC), y los chips de ic son la base de muchos dispositivos modernos, desde las computadoras y los teléfonos inteligentes hasta Internet y las redes de comunicaciones globales.

Diodos

Quizás el dispositivo más sencillo que se puede crear con un semiconductor es un diodo. Un diodo es un elemento del circuito que permite que la corriente eléctrica fluya en una sola dirección, como una válvula de un solo sentido (vea Modelo de Conducción en los Metales). Un diodo se crea uniendo un semiconductor de tipo p con un semiconductor de tipo n (Figura 9.23). La unión entre estos materiales se denomina unión p-n. En la Figura 9.23(b) se muestra una comparación de las bandas de energía de un diodo de silicio. Las posiciones de las bandas de valencia y de conducción son las mismas, pero los niveles de impurezas son muy diferentes. Cuando se forma una unión p-n, los electrones de la banda de conducción del material de tipo n se difunden hacia el lado p, donde se combinan con los agujeros de la banda de valencia. Esta migración de carga deja iones donantes ionizados positivos en el lado n e iones aceptadores ionizados negativos en el lado p, produciendo una estrecha capa doble de carga en la unión p-n llamada capa de agotamiento. El campo eléctrico asociado a la capa de agotamiento impide la difusión posterior. La energía potencial de los electrones a través de la unión p-n viene dada por la Figura 9.24.

La figura a muestra dos bloques colocados uno al lado del otro, en contacto. El de la izquierda está marcado como p y el de la derecha como n. La figura b muestra una banda de valencia en la parte inferior y una banda de conducción en la parte superior. Hay agujeros dentro de la banda de valencia a la izquierda, marcados como agujeros en la parte superior de la banda de valencia. Hay electrones por encima de la línea de conducción a la derecha, marcados como electrones en la parte inferior de la banda de conducción. Las bandas de impurezas se muestran por encima de los agujeros y por debajo de los electrones.
Figura 9.23 (a) Representación de una unión p-n. (b) Comparación de las bandas de energía del silicio tipo p y tipo n antes del equilibrio.
La figura a muestra dos bloques colocados uno al lado del otro, en contacto. El de la izquierda está marcado como p y el de la derecha como n. Los signos de menos se muestran en el bloque p cerca del lado en contacto. Los signos de más se muestran en el bloque n cerca del lado en contacto. La figura b muestra una banda de valencia en la parte inferior y una línea de conducción en la parte superior. La banda de valencia es más alta en el lado izquierdo y casi alcanza la línea central entre las dos bandas. Hay agujeros con la banda de valencia en la parte superior izquierda. La línea de conducción es más baja a la derecha, llegando casi a la línea central entre las dos bandas. Hay electrones justo por encima de la línea, a la derecha. El desplazamiento de las bandas está marcado como eV subíndice 0, la diferencia de potencial impide la difusión de los electrones del lado n al lado p.
Figura 9.24 En equilibrio, (a) el exceso de carga reside cerca de la interfase y la corriente neta es cero, y (b) la diferencia de energía potencial para los electrones (en azul claro) impide la difusión adicional de electrones hacia el lado p.

Ahora se puede entender el comportamiento de un diodo semiconductor. Si el lado positivo de la batería se conecta al material de tipo n, la capa de agotamiento se amplía y la diferencia de energía potencial a través de la unión p-n aumenta. Pocos o ninguno de los electrones (agujeros) tienen suficiente energía para subir la barrera de potencial, y la corriente se reduce considerablemente. Esto se llama la configuración de polarización inversa. Por otro lado, si el lado positivo de una batería se conecta al material de tipo p, la capa de agotamiento se estrecha, la diferencia de energía potencial a través de la unión p-n se reduce y los electrones (agujeros) fluyen fácilmente. Esto se llama la configuración de polarización directa del diodo. En resumen, el diodo permite que la corriente fluya libremente en una dirección, pero impide el flujo de corriente en la dirección opuesta. En este sentido, el diodo semiconductor es una válvula unidireccional.

Podemos estimar la relación matemática entre la corriente y el voltaje de un diodo utilizando el concepto de potencial eléctrico. Considere portadores mayoritarios N cargados negativamente (electrones donados por átomos de impureza) en el material de tipo n y una barrera de potencial V a través de la unión p-n. Según la distribución de Maxwell-Boltzmann, la fracción de electrones que tienen suficiente energía para difundir a través de la barrera de potencial es NeeV/kBTNeeV/kBT. Sin embargo, si una batería de voltaje VbVb se aplica en la configuración de polarización directa, esta fracción mejora a Nee(VVb)/kBTNee(VVb)/kBT. Por lo tanto, la corriente eléctrica debida a los portadores mayoritarios del lado n al lado p es

I=NeeV/kBTeeVb/kBT=I0eeVb/kBT,I=NeeV/kBTeeVb/kBT=I0eeVb/kBT,
9.35

donde I0I0 es la corriente sin voltaje aplicado y T es la temperatura. La corriente debida a los portadores minoritarios (excitación térmica de los electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción en el lado p y posterior atracción hacia el lado n) es I0I0, independientemente del voltaje de polarización. Por lo tanto, la corriente neta es

Ineta=I0(eeVb/kBT1).Ineta=I0(eeVb/kBT1).
9.36

Un ejemplo de gráfico de la corriente en función del voltaje de polarización aparece en la Figura 9.25. En la configuración de polarización directa, pequeños cambios en el voltaje de polarización conducen a grandes cambios en la corriente. En la configuración de polarización inversa, la corriente es InetaI0InetaI0. Para valores extremos de polarización inversa, los átomos del material se ionizan, lo que desencadena una avalancha de corriente. Este caso se da en la tensión de ruptura.

Gráfico de la I subíndice net en función de V. La flecha que apunta a la derecha del eje y está marcada como polarización directa. Una flecha que apunta a la izquierda desde el eje y está marcada como como polarización inversa. La curva sube y se dirige a la derecha en el primer cuadrante y luego se vuelve casi vertical en los valores más altos de x y y. Cruza el eje x positivo en el cuarto cuadrante y luego el eje y negativo en menos I subíndice 0. Se desplaza hacia la izquierda en una línea horizontal hasta un punto en el que gira bruscamente hacia abajo en lo que se convierte en una línea casi vertical. El valor x del punto de inflexión está marcado como tensión de ruptura.
Figura 9.25 Corriente en función del voltaje a través de una unión p-n (diodo). En la configuración de polarización directa, la corriente eléctrica fluye fácilmente. Sin embargo, en la configuración de polarización inversa, la corriente eléctrica fluye muy poco.

Ejemplo 9.6

Corriente del diodo

Al conectar el extremo positivo de una batería al lado p y el extremo negativo al lado nde un diodo semiconductor se produce una corriente de 4,5×10−1A.4,5×10−1A. La corriente de saturación inversa es 2,2×10−8A.2,2×10−8A. (La corriente de saturación inversa es la corriente de un diodo en una configuración de polarización inversa como esta). El voltaje de la batería es de 0,12 V. ¿Cuál es la temperatura del diodo?

Estrategia

La primera disposición es una configuración de polarización directa, y la segunda es la configuración de polarización inversa. En cualquier caso, la Ecuación 9.2 da la corriente.

Solución

La corriente en las configuraciones de polarización directa e inversa viene dada por
Ineta=I0(eeVb/kBT1).Ineta=I0(eeVb/kBT1).

La corriente sin polarización está relacionada con la corriente de saturación inversa por

I0Isat=2,2×10−8.I0Isat=2,2×10−8.

Por lo tanto,

InetaI0=4,5×10−1A2,2×10−8A=2,0×108.InetaI0=4,5×10−1A2,2×10−8A=2,0×108.

Ecuación 9.2 puede escribirse como

InetaI0+1=eeVb/kBT.InetaI0+1=eeVb/kBT.

Esta relación es mucho mayor que uno, por lo que el segundo término del lado izquierdo de la ecuación desaparece. Tomando el logaritmo natural de ambos lados se obtiene

eVbkBT=19.eVbkBT=19.

Por lo tanto, la temperatura es

T=eVbkB(119)=e(0,12V)8,617×10−5eV/K(119)=73K.T=eVbkB(119)=e(0,12V)8,617×10−5eV/K(119)=73K.

Importancia

La corriente que atraviesa un diodo en la configuración de polarización directa y en la inversa es sensible a la temperatura del diodo. Si la energía potencial suministrada por la batería es grande en comparación con la energía térmica del entorno del diodo, kBT,kBT, entonces la corriente de polarización directa es muy grande comparada con la corriente de saturación inversa.

Compruebe Lo Aprendido 9.5

¿Cómo se compara la magnitud de la corriente de polarización directa con la corriente de polarización inversa?

Interactivo

Cree una unión p-n y observe el comportamiento de un circuito sencillo para voltajes de polarización directa e inversa. Visite este sitio para saber más sobre los diodos semiconductores.

Transistor de unión

Si los diodos son válvulas unidireccionales, los transistores son válvulas unidireccionales que pueden abrirse y cerrarse cuidadosamente para controlar la corriente. Un tipo especial de transistor es el transistor de unión. Un transistor de unión tiene tres partes, incluyendo un semiconductor de tipo n, también llamado emisor; un semiconductor delgado de tipo p, que es la base; y otro semiconductor de tipo n, llamado colector (Figura 9.26). Cuando se conecta un terminal positivo a la capa de tipo p (la base), una pequeña corriente de electrones, llamada corriente de base IB,IB, fluye hacia el terminal. Esto provoca que una gran corriente de colector IcIc fluya a través del colector. La corriente de base puede ajustarse para controlar la gran corriente de colector. Por lo tanto, la ganancia de corriente es

Ic=βIB.Ic=βIB.
9.37
Se muestran tres bloques en contacto. De izquierda a derecha están marcados: emisor (tipo n) base (tipo p) y colector (tipo n). Una fuente de voltaje se conecta a través del colector y el emisor, siendo el colector positivo. Otra fuente de voltaje se conecta a través del emisor y la base, siendo la base positiva. Una flecha gruesa parte del emisor, pasa por los otros dos bloques, sale del colector y recorre el primer bucle de voltaje. La flecha está marcada como flujo grande de electrones, corriente de colector. Una flecha más fina desde la base se dirige al segundo bucle de voltaje. Está marcada como flujo pequeño de electrones, corriente de base.
Figura 9.26 Un transistor de unión tiene tres partes: emisor, base y colector. El voltaje aplicado a la base actúa como una válvula para controlar la corriente eléctrica del emisor al colector.

Un transistor de unión puede utilizarse para amplificar el voltaje de un micrófono para accionar un altavoz. En esta aplicación, las ondas sonoras hacen que un diafragma del interior del micrófono se mueva rápidamente hacia dentro y hacia fuera (Figura 9.27). Cuando el diafragma está en la posición de "entrada", se aplica un pequeño voltaje positivo a la base del transistor. Esto abre la "válvula" del transistor y permite un gran flujo de corriente eléctrica hacia el altavoz. Cuando el diafragma está en la posición de "salida", se aplica un pequeño voltaje negativo a la base del transistor, que apaga la válvula del transistor para que no fluya corriente al altavoz. Esto apaga la "válvula" del transistor para que no fluya corriente al altavoz. De este modo, la corriente que llega al altavoz está controlada por las ondas sonoras, y el sonido se amplifica. Cualquier dispositivo eléctrico que amplifica una señal se llama amplificador.

La figura a muestra tres bloques en contacto. De izquierda a derecha están marcados: emisor (tipo n) base (tipo p) y colector (tipo n). Un altavoz se conecta a través del colector y el emisor. Un micrófono se conecta a través del emisor y la base. El diafragma se mueve hacia fuera. El voltaje a través del micrófono está marcado como voltaje base. Es negativo en la base. En la figura se marca poco o ningún flujo de electrones. La figura b muestra una disposición similar a la de la figura a. Una flecha gruesa parte del emisor, atraviesa los otros dos bloques, sale del colector y recorre el bucle del altavoz. La flecha está marcada como flujo grande de electrones, corriente de colector. Una flecha más fina desde la base se dirige al bucle del micrófono. Está marcada como flujo pequeño de electrones, corriente de base. La polaridad del voltaje base a través del micrófono es opuesta a la de la figura a. El micrófono está marcado como diafragma y se mueve hacia adentro. Se muestra el altavoz que emite ondas sonoras.
Figura 9.27 Un amplificador de audio basado en un transistor de unión. El voltaje aplicado a la base por un micrófono actúa como una válvula para controlar una corriente eléctrica mayor que pasa por un altavoz.

En los dispositivos electrónicos modernos, las señales digitales se utilizan con diodos y transistores para realizar tareas como el manejo de datos. Los circuitos eléctricos transmiten dos tipos de señales eléctricas: analógicas y digitales (Figura 9.28). Una señal analógica varía continuamente, mientras que una señal digital alterna entre dos valores fijos de voltaje, como más 1 voltio y cero voltios. En los circuitos digitales, como los de las computadoras, un transistor se comporta como un interruptor de encendido y apagado. El transistor está encendido, lo que significa que la válvula está completamente abierta, o está apagado, lo que significa que la válvula está completamente cerrada. Los circuitos integrados contienen vastas colecciones de transistores en una sola pieza de silicio. Están diseñados para manejar señales digitales que representan unos y ceros, lo que también se conoce como código binario. La invención del ic contribuyó a poner en marcha la revolución informática moderna.

Se muestran dos gráficos de V en función de t. La primera señal, marcada como analógica tiene una onda sinusoidal irregular. La segunda señal, marcada como digital tiene una onda cuadrada.
Figura 9.28 Los datos del mundo real son con frecuencia analógicos, lo que significa que los datos pueden variar continuamente. Los valores de intensidad de las imágenes sonoras o visuales suelen ser analógicos. Estos datos se convierten en señales digitales para su procesamiento electrónico en dispositivos de grabación o computadoras. La señal digital se genera a partir de la señal analógica exigiendo un determinado valor de corte de voltaje.
Cita/Atribución

¿Desea citar, compartir o modificar este libro? Este libro es Creative Commons Attribution License 4.0 y debe atribuir a OpenStax.

Información de atribución
  • Si redistribuye todo o parte de este libro en formato impreso, debe incluir en cada página física la siguiente atribución:
    Acceso gratis en https://openstax.org/books/f%C3%ADsica-universitaria-volumen-3/pages/1-introduccion
  • Si redistribuye todo o parte de este libro en formato digital, debe incluir en cada vista de la página digital la siguiente atribución:
    Acceso gratuito en https://openstax.org/books/f%C3%ADsica-universitaria-volumen-3/pages/1-introduccion
Información sobre citas

© 29 oct. 2021 OpenStax. El contenido de los libros de texto que produce OpenStax tiene una licencia de Creative Commons Attribution License 4.0 license. El nombre de OpenStax, el logotipo de OpenStax, las portadas de libros de OpenStax, el nombre de OpenStax CNX y el logotipo de OpenStax CNX no están sujetos a la licencia de Creative Commons y no se pueden reproducir sin el previo y expreso consentimiento por escrito de Rice University.