9.7 Dispositivos semiconductores

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.

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.

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 $N{e}^{\text{−}eV\text{/}{k}_{\text{B}}T}$. Sin embargo, si una batería de voltaje $V_b$ se aplica en la configuración de polarización directa, esta fracción mejora a $N{e}^{\text{−}e\left(V-V_b\right)\text{/}{k}_{\text{B}}T}$. Por lo tanto, la corriente eléctrica debida a los portadores mayoritarios del lado n al lado p es

donde $I_0$ 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 $\text{−}{I}_0$, independientemente del voltaje de polarización. Por lo tanto, la corriente neta es

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 $I_{\text{neta}}\approx \text{−}{I}_0$. 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.

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.

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 $I_B,$ fluye hacia el terminal. Esto provoca que una gran corriente de colector $I_c$ 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

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.

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.

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.