Fundamentos de Semiconductores y Dispositivos Electrónicos
1. ¿Qué son las Bandas de Energía?
Cuando los átomos se unen para formar un sólido, las órbitas de los electrones se ven afectadas por la proximidad de los átomos vecinos. Estas órbitas se solapan, creando zonas o **bandas continuas** donde se pueden encontrar los electrones.
2. Diferencias entre Conductores, Aislantes y Semiconductores
La diferencia principal radica en la disponibilidad de **electrones libres**:
- Conductores: Tienen muchos electrones libres, permitiendo el flujo fácil de corriente.
- Aislantes: Tienen pocos electrones libres, impidiendo el flujo de corriente.
- Semiconductores: Su conductividad varía según factores como el campo eléctrico, la temperatura o la radiación.
3. Conformación de las Bandas de Valencia, Conducción y Gap
- Conductores: Las bandas de valencia y conducción se traslapan.
- Semiconductores: Separadas por una banda de gap de 0.1 a 6 eV.
- Aislantes: Separadas por un gap de 6 eV o más.
4. ¿Son el Silicio y el Germanio los Únicos Semiconductores Intrínsecos?
No, también lo son otros elementos tetravalentes del grupo IV, como el carbono (en estructura de diamante) y el estaño en su fase estructural alfa.
5. ¿Qué es un Semiconductor Extrínseco?
Un semiconductor extrínseco se crea modificando la estructura electrónica de un semiconductor intrínseco mediante un proceso llamado **dopado**. Los elementos:
- Donadores (para Silicio o Germanio): Fósforo (P), Arsénico (As), Antimonio (Sb) (Grupo V, 5 electrones de valencia).
- Aceptores (para Silicio o Germanio): Boro (B), Aluminio (Al), Galio (Ga), Indio (In) (Grupo III, 3 electrones de valencia).
6. Comportamiento de los Semiconductores como Aislantes y su Variación con la Temperatura
A 0° Kelvin, los semiconductores actúan como **aislantes perfectos**. A medida que aumenta la temperatura, la conductividad se incrementa, acercándose a la de un conductor a temperatura ambiente.
7. ¿Qué es el Dopado de Semiconductores y para qué se Utiliza?
El dopado es la adición controlada de impurezas para **mejorar la conductividad eléctrica** de los semiconductores.
8. (Repetición) ¿Qué es un Semiconductor Extrínseco?
Un semiconductor extrínseco se crea modificando la estructura electrónica de un semiconductor intrínseco mediante un proceso llamado **dopado**. Los elementos:
- Donadores (para Silicio o Germanio): Fósforo (P), Arsénico (As), Antimonio (Sb) (Grupo V, 5 electrones de valencia).
- Aceptores (para Silicio o Germanio): Boro (B), Aluminio (Al), Galio (Ga), Indio (In) (Grupo III, 3 electrones de valencia).
9. Técnica Más Utilizada en la Fabricación de Uniones PN
La técnica de **unión tipo “masa fundida”** es popular por su sencillez, rapidez y economía en la fabricación en masa.
10. Técnicas de Fabricación de Uniones PN
Algunas técnicas incluyen:
- Unión por aleación
- Implantación iónica
- Crecimiento de la unión
- Difusión sobre sustrato epitaxia
- Tipo masa fundida
11. ¿En qué Consiste el Fenómeno de Generación?
Cuando los electrones reciben suficiente energía (igual o mayor que la banda prohibida), pasan de la banda de valencia a la banda de conducción, dejando un hueco en la BV y generando un par electrón-hueco (e-h).
12. ¿En qué Consiste el Fenómeno de Recombinación?
Cuando un electrón de la banda de conducción pasa a la banda de valencia, cediendo energía en forma de la emisión de un fotón con la misma energía de la banda prohibida.
13. Mecanismos de Generación y Recombinación
- Generación:
- Generación Térmica
- Generación por radiación
- Recombinación:
- Recombinación Térmica
- Recombinación por Trampas
14. ¿Qué son los Contactos Óhmicos?
Son interconexiones de circuitos integrados con el exterior. Son contactos metal-semiconductor sin efecto rectificante, proporcionando conducción en ambas direcciones con baja resistencia.
15. Polarizaciones del Contacto Óhmico
- Tensión positiva al metal: No hay barrera para los electrones que fluyen del semiconductor al metal.
- Tensión negativa al metal: Los electrones cruzan fácilmente la barrera del metal al semiconductor.
16. ¿Qué es el Contacto Rectificante?
Es la unión de un metal y un semiconductor a escala atómica, sin mezcla ni absorción de impurezas o cargas.
17. Mecanismos de Flujo de Corriente en el Diodo Schottky
Los mecanismos son:
- Difusión de portadores del semiconductor al metal.
- Emisión termoiónica de portadores a través de la barrera de Schottky.
- *Quantum Tunneling* a través de la barrera.
18. Unión Metal-Semiconductor Tipo N en Equilibrio Térmico
Cuando se juntan un metal y un semiconductor tipo N en equilibrio térmico:
- Los niveles de Fermi se igualan.
- Los electrones pasan del semiconductor al metal.
- Se forman iones fijos positivos en el lado del semiconductor (impurezas donadoras).
- Se forma una zona de deflexión en el semiconductor.
- El metal se vuelve negativo respecto al semiconductor.
19. ¿Qué es el Contacto Metal-Metal?
Es un contacto entre dos metales diferentes. La diferencia de densidad crea una diferencia de potencial, generando un flujo de electrones y corriente. El metal con menos electrones cede electrones al metal con más electrones hasta alcanzar el equilibrio de Fermi (EF).
20. ¿Qué son los Termopares?
Un termopar es un dispositivo de estado sólido que convierte la energía en voltaje, compuesto por dos metales diferentes unidos en una juntura. Se utilizan como **sensores de temperatura**.
21. Ecuación de Shockley
La ecuación de Shockley (Id = Is(eqVd/nkt – 1)) describe el comportamiento del diodo ideal en ausencia de equilibrio.
Limitaciones:
- La constante “n” solo aplica para silicio y germanio.
- No modela el efecto Zener ni el efecto avalancha.
22. Corriente Máxima
Es la intensidad máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule, dependiendo del diseño y la capacidad de disipación de calor.
23. Corriente Inversa de Saturación
Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo debido a la formación de pares electrón-hueco por la temperatura, duplicándose aproximadamente por cada incremento de 10°C.
24. ¿Cómo se Genera el Efecto Avalancha?
En polarización inversa, los electrones acelerados por la tensión inversa chocan con electrones de valencia, liberándolos a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, chocan con más electrones, creando una *avalancha* de corriente.
25. ¿Cuándo se Produce el Efecto Túnel (Zener)?
El efecto túnel ocurre cuando un campo eléctrico intenso se aplica a la unión p-n, permitiendo a los electrones penetrar o saltar la barrera de potencial debido a propiedades mecánico-cuánticas.
26. ¿Qué es el Efecto Zener?
En materiales muy dopados, la zona de carga es menor, resultando en un campo eléctrico grande (del orden de 3·105 V/cm). Este campo puede arrancar electrones de valencia, incrementando la corriente.
27. Definición de las Uniones del Transistor
- Emisor: Inyecta portadores mayoritarios hacia la base.
- Base: Capa delgada que permite el paso de la mayoría de los portadores inyectados por el emisor hacia el colector.
- Colector: Recoge los portadores inyectados por el emisor que han atravesado la base.
28. Aislamiento Eléctrico en el Diseño de un Transistor
Se forman ventanas en el SiO2 mediante fotolitografía y corrosión. Se difunde una región P+ hasta alcanzar el sustrato. El aislamiento eléctrico se logra conectando el sustrato a la tensión más negativa del circuito.
29. Aplicaciones Importantes de las Estructuras MOS
Las estructuras MOS son fundamentales en:
- Transistores MOSFET
- Dispositivos de carga acoplada (CCD)
- Memorias RAM
30. Regiones de Funcionamiento de la Estructura MOS
- Acumulación: Las cargas se almacenan en el óxido, similar a un condensador.
- Agotamiento: Los electrones y huecos se recombinan en el semiconductor, formando la región de agotamiento.
- Inversión: Se invierte la región de agotamiento al aumentar la tensión de compuerta.