Deformación de Sólidos
Estudiaremos las deformaciones sufridas por los sólidos debidas a fuerzas exteriores, a las que se oponen las fuerzas internas (elásticas). Si al desaparecer la fuerza deformadora el cuerpo recupera su forma original, el comportamiento es elástico. Si al desaparecer la fuerza deformadora el cuerpo no recupera su forma original, el comportamiento es plástico o inelástico.
Ley de Hooke
La deformación sufrida por un material es proporcional a la acción deformadora.
- Tensión: relación entre la fuerza que actúa y la superficie de la muestra.
- Deformación: relación entre la variación sufrida por la longitud y su valor inicial.
- Coeficiente de Poisson: Relación entre la contracción lateral y el alargamiento longitudinal. Valor ideal 0,5; real entre 0,25 y 0,4.
- Módulo de elasticidad o de Young (E): es la relación entre la tensión (σ) y la deformación (ε). Ley de Hooke: σ = E · ε.
- Límite elástico: es el nivel de tensión al que el material muestra una deformación plástica significativa (valor típico: 0.2 % de deformación).
- Resistencia a la tracción: es la máxima tensión que se alcanza en la curva tensión-deformación.
- Porcentaje de alargamiento: (Lf-Lo / Lo) es una medida de ductilidad.
- Porcentaje de estricción: (Ao-Af / Ao) también es una medida de ductilidad.
Unión P-N
En la frontera aparecerán dos corrientes de difusión:
Jp = -q·Dp· dp/dx
Jn = q·Dn· dn/dx
Despreciando los portadores minoritarios:
Pp ≈ Na
nn ≈ Nd
La zona de transición no contiene portadores, ni huecos ni electrones de conducción. Se forma una distribución de carga ligada. Negativa en la zona P y positiva en la N. La distribución de carga de la zona de transición es una distribución dipolar: aparece un campo eléctrico Ei, un potencial de contacto V0 entre las dos zonas neutras, y se establece una barrera eV0 que se opone a los flujos de difusión.
Los portadores minoritarios son arrastrados por el campo, aparecen corrientes de arrastre debidas al campo Isn e Isp que dependen más de la temperatura que de V0. Son de sentido opuesto a las de difusión Idn e Idp. En el equilibrio se cumple:
Idn + Isn = 0
Idp + Isp = 0
Los niveles de Fermi se igualan: EFp = EFn.
Polarización de la Unión
La unión p-n se emplea como un elemento de circuito, se comporta como un diodo. En los circuitos, el diodo se representa por el símbolo de la figura donde al extremo p se le denomina ánodo (A) y al n cátodo (C).
Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa (V) por medio de una batería, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.
Polarización Directa
El polo positivo de la batería se conecta con el ánodo (zona P). Se disminuye el ancho de la zona de transición. La batería inyecta electrones en N. El polo positivo atrae electrones de valencia de P. Si V es mayor que V0, los electrones de N pueden saltar a P. Una vez en P, son atraídos por la batería.
Polarización Inversa
El polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de transición y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería. El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, salen del cristal n y se introducen en el conductor, desplazándose hasta llegar a la batería. Los átomos pentavalentes que eran neutros pierden un electrón de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la última capa) y una carga eléctrica neta de +1, pasando a iones positivos. La batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Estos tienen solamente 7 electrones en su última capa, siendo el electrón que falta el denominado hueco. Cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos, con lo que los átomos trivalentes adquieren una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose en iones negativos. Este proceso se repite hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.
Diodo
Efecto Avalancha
En diodos poco dopados con polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación. Si la tensión inversa es elevada, los electrones se aceleran incrementando su energía cinética. Al chocar con electrones de valencia, pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones. V > 6V.
Efecto Zener
Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Como el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d, si el diodo está muy dopado (y por tanto d es 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, incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.
Fotodiodo
En la recombinación, el electrón pierde energía, que puede ser absorbida por el resto del material o salir al exterior en forma de un fotón visible o no. Si el fotón es visible, hablaremos de electroluminiscencia.
Un fotodiodo es una unión p-n. Si incide una luz de suficiente energía, excita un electrón y crea un hueco. Si la absorción ocurre en la zona de transición de la unión, o a una distancia de difusión de ella, estos portadores son retirados de la unión por el campo de la zona de transición, produciendo una corriente. El efecto de fotodiodo solo se presenta con polarización inversa.
El diodo PIN presenta una región P fuertemente dopada y otra región N también fuertemente dopada, separadas por una región de material que es casi intrínseco. Se utiliza en frecuencias de microondas, pues incluso en estas frecuencias el diodo tiene una impedancia muy alta cuando está inversamente polarizado y muy baja cuando está polarizado en sentido directo. Las tensiones de ruptura están comprendidas entre 100 y 1000 V.