Semiconductores
La clasificación inicial de los materiales en conductores y aislantes (v.) se hizo en función de su capacidad para facilitar o imposibilitar el flujo de la corriente eléctrica. La existencia de ciertos materiales con un comportamiento intermedio en lo que a propiedades resistivas se refiere, 10-3-107 dl cm., introdujo en la antigua clasificación una nueva categoría de elementos que recibieron el nombre de s. Algunas de las propiedades interesantes que poseen estas sustancias, cuyo comportamiento sólo fue entendido después del moderno desarrollo de la teoría del estado sólido (v. ESTADOS DE LA MATERIA II), son: coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura negativo, disminución de la resistividad con la iluminación, los valores y el sentido de la tensión eléctrica que aparece en una muestra por la que circula una corriente eléctrica, al aplicarle un campo magnético transversal, efecto que recibe el nombre de efecto Hall.
Teoría de bandas en sólidos. El estudio riguroso de las propiedades de los sólidos exige la utilización de una teoría genérica, la Mecánica cuántica (V. MECÁNICA IV), y de un modelo para el sólido. Los constituyentes de este modelo son: un conjunto de centros fijos que representan los átomos, y un conjunto de electrones moviéndose entre los centros fijos. La red de centros fijos se supone en una primera aproximación rígida (ficción), la interacción entre los electrones se supone nula (ficción), y la interacción electrón-red se representa por un potencial periódico en el espacio, pero constante en el tiempo (aproximación). La introducción de los efectos ahora despreciados se hace a posteriori enriqueciéndose la teoría. Las soluciones de la ecuación de Schródinger (V. MECÁNICA IV, 1), obtenida después de haber realizado todas las simplificaciones anteriores, dan los valores posibles de la energía para los electrones que se mueven en el sólido sometidos a las interacciones de los centros fijos. Estos valores posibles tienen una distribución en bandas, es decir, están constituidos por un conjunto de valores cuasi-continuos separados por zonas de energía no permitida.
El análisis de las propiedades de estas bandas y del movimiento de los electrones en el interior del sólido, en ausencia o en presencia de campos externos aplicados, permite extraer una serie de conclusiones interesantes tales como:1) Una banda completamente llena no contribuye a la conducción.
2) A la aplicación de un campo externo, los electrones responden, como consecuencia de que están sometidos a la acción de los centros fijos, con una masa distinta a la que poseen en libertad, masa que puede ser negativa en ocasiones y que recibe el nombre de masa efectiva.
3) El movimiento de una vacante («hueco») en una banda que de otra forma estaría llena es similar al de una partícula que poseyera una carga positiva y una masa efectiva positiva.
Semiconductores en equilibrio. La forma en que las bandas de energía permitidas se ocupan en el equilibrio es un problema estadístico cuya solución viene dada para partículas cuánticas que, como las que constituyen el sólido, obedecen el principio de exclusión de Pauli, por la función de la distribución de Fermi: ñ,=número medio de partículas en el estado s de energía1E, 1 +e(E,-Ef )Ier (0 S n,_< 1)La conjunción de estos dos aspectos, estructura en bandas de energía y forma de ocupación de las mismas, permite obtener tres tipos fundamentales de configuración que corresponden respectivamente a metales, s. y aisladores (v. fig. 1, 2 y 3).
La diferencia entre s. y aisladores radica fundamentalmente en la anchura de la zona de energía prohibida Ex (valores tipo: Ge, 0,67 eV; Diamante, 5,2 eV).
Para una temperatura T=0° K, la energía de Fermi El da el límite superior para el que la probabilidad de ocupación es la unidad; a partir de este valor de la energía, la probabilidad de ocupación es nula. En un s. a esta temperatura, el nivel de Fermi cae aproximadamente en torno a la mitad de la zona de energía prohibida, lo que implica que las bandas con energías superiores a El (0°) estarán desocupadas, y las de energías inferiores totalmente llenas. El comportamiento., de tal sustancia a efectos de conducción sería aislante. Al aumentar la temperatura, la probabilidad de ocupación de los niveles superiores aumenta a costa de que disminuya la de los niveles inferiores; la banda superior o de conducción comienza a ocuparse y la inferior o de valencia a desocuparse, posibilitándose la conducción por electrones en la primera y por «huecos» en la segunda. Una sustancia de este tipo recibe el nombre de s. intrínseco, n (electrones en la banda de conducción)=p (huecos en la banda de valencia). S. tipo son, p. ej., el germanio, el silicio, etc. A veces interesa que en una sustancia s. la conducción se realice bien por electrones o bien por huecos, pero no por ambos a la vez como en el caso intrínseco. Para ello se introducen, en el material s. puro, impurezas de características tales que los niveles energéticos adicionales que aparecen como consecuencia de esta introducción caigan, bien próximos al fondo de la banda de conducción o bien al tope de la banda de valencia. Impurezas de estas características son, p. ej., fósforo en germanio para el primer caso, y boro en germanio para el segundo.
La configuración en el esquema de bandas se muestra en las figs. 4 y 5. La elevación de la temperatura provoca la desocupación rápida de -los niveles de impurezas en el primer caso, con cesión de electrones a la banda de conducción; y en el segundo, la ocupación de los niveles de impurezas a costa de la desocupación de la banda de valencia. Se posibilita así la conducción por huecos en este caso y por electrones en aquél. A estos s. que ya no verifican n (electrones en la banda de conducción)=p (huecos en la banda de valencia) se les conoce como s. extrínsecos tipos N y P respectivamente, y a las impurezas añadidas, dadoras y aceptoras. Si continuáramos aumentando la temperatura, se incrementaría la ocupación de la banda de conducción a costa de la desocupación de la banda de valencia, volviendo a dominar el comportamiento intrínseco, n - p (fig. 6).
Semiconductores en condiciones de no equilibrio. La aplicación de campos externos (causas) a un material s. provoca la aparición de unas «corrientes» (efectos), interrelacionadas con aquéllos a través de características propias del material. Estas relaciones pueden obtenerse partiendo de los efectos de los campos sobre las partículas individuales y tratando posteriormente el conjunto de partículas que constituyen el sólido desde un punto de vista estadístico.
Los efectos de los campos sobre las partículas individuales pueden estudiarse, según señalamos anteriormente, adscribiéndoles una masa efectiva que depende de la forma que posea la estructura de bandas del sólido en el interior del cual se mueven estos portadores; esta masa efectiva incorpora en su expresión el hecho de que los portadores están sometidos no sólo a fuerzas externas producto de los campos, sino también a fuerzas internas debidas al potencial periódico de la estructura cristalina. El tratamiento a nivel macroscópico exige la utilización de métodos de análisis estadístico para sistemas de no equilibrio.
Se define la función f(r, p, t) de forma que f(r, p, t).dr-dp sea el número de portadores que en el instante t tienen su posición en el interior del volumen dr y su momento en el rango dp (v. PLASMA). La evolución temporal de este número de portadores viene regida por una ecuación donde se expliciten todos los mecanismos mediante los cuales esa función f (r, p, t) pueda cambiar. Esta ecuación se denomina ecuación de transporte de Boltzman y tiene para s. la formaafe + ,,e + afeat at Fuerzas Ot Difusión - ate )Ot afeatColisiones Generaciónpara la banda de conducción, y una expresión análoga para la banda de valenciaafv afv afv at at Fuerzas Ot Difusión- afv afv OtColisiones Ot Generaciónen ellas se ha considerado el que f(r, p, t) puede cambiar como consecuencia de que:1) Dependa explícitamente del tiempo, afat 2) Se modifique el valor de p por acción de las fuerzas externas,Ot/puerzas3) Se modifique la posición r, at 'Difusión4) Se modifique su momento p como consecuencia de algún choque bruscoOt 'colisiones5) Se generen o recombinen portadores como consecuencia de la existencia de transiciones entre bandasat )GeneraciónEn síntesis, la ecuación refleja el hecho de que los campos externos tienden a separar al sistema de su estado de equilibrio, en tanto que los mecanismos de colisión tienden a hacerlo volver a él. El término que incorpora los fenómenos de colisión tiene una expresión dependiente del tipo de colisión de que se trate (electrones, vibraciones de la red (fonones), electrones-impurezas, electrones-defectos estructurales...). Este término puede escribirse bajo ciertas condiciones en la formaaf _ (f-fo)at )Colisiones T(r, p) 'que expresa el hecho de que al cesar la perturbación externa el sistema tiende a regresar al estado de equilibrio mediante un proceso de relajación describible por el tiempo de relajación T. La resolución de la ecuación de Boltzman es, en estas circunstancias, posible y a partir de la f(r, p, t) calculada pueden obtenerse ya las expresiones que relacionan los efectos macroscópicos (corrientes eléctricas, térmicas...), con sus causas (campos eléctricos, gradientes de temperatura...), a través de parámetros relacionados con la estructura del material (conductividad eléctrica, térmica...).
Todas las propiedades de los s. son explicables haciendo uso de la estructura desarrollada. Analicemos, p. ej., el fenómeno de la resistividad diferencial negativa. La expresión de la corriente en un s. tipo N viene dada por J=egnnE,donde E representa el campo eléctrico aplicado, n el número de electrones de la banda de conducción, e la carga eléctrica, y g„ la movilidad de los mismos. Al variar la temperatura se modifica la movilidad, mayor o menor facilidad para moverse, ya que los procesos de colisión, que determinan el valor de ésta, son dependientes de T; pero también se modifica el número de portadores en la banda de conducción como consecuencia de los procesos de generación térmica, bien a partir de los niveles de impurezas, bien a partir de la banda de valencia. La dependencia conjunta de estos dos parámetros conduce a un aumento de o-, o disminución de p, con T en consonancia con los resultados experimentales para este tipo de sustancias. En el caso de metales, el número de portadores no varía, en tanto que sí lo hace la movilidad. Esta dependencia conduce a un aumento de p al aumentar T.
Aplicaciones de los semiconductores. Algunas de las aplicaciones de los s. que mayor incidencia han tenido en la tecnología de los dispositivos electrónicos son:1) Rectificadores. La unión de dos s. de tipos P y N tiene propiedades rectificantes. El mecanismo físico que explica estas propiedades puede sintetizarse brevemente: en ausencia de campos externos aplicados el sistema está en equilibrio dinámico mediante el intercambio de electrones y de huecos de una región a otra; esta condición de equilibrio se expresa en términos de una igualación de los niveles de Fermi a lo largo de todo el material. Como consecuencia de la existencia de una diferencia de concentración en la zona de la unión habrá una corriente de difusión de electrones de la zona N a la P, y de huecos de la zona P a la N; este paso de portadores provoca la aparición de una región de carga fija como consecuencia de las impurezas que quedan sin compensar, y, por tanto, la de un campo eléctrico que favorece el arrastre de los portadores que se generan térmicamente en dicha zona, electrones hacia la zona N y de huecos hacia la P. La igualación de estas corrientes de arrastre y difusión, tantopara electrones como para huecos, es la condición necesaria de equilibrio (fig. 7).
La aplicación de un campo eléctrico externo puede aumentar este campo interno, disminuyendo la difusión, o bien reducirlo, con el consiguiente favorecimiento del proceso de difusión. En uno u otro caso la corriente es distinta de cero, y su expresión viene dada porI=Io (exp (eV1kT)-1).
Para valores de V suficientemente grandes frente a kT aplicados en sentido inverso (zona N positiva frente a zona P), I=lo, la corriente que circula es la debida a la generación de portadores en la zona de la unión cuyo valor es pequeño y limitado. Para valores de V aplicados en sentido directo, I aumenta de forma exponencial (figs. 8 y 9). Las gráficas 1-V ponen de manifiesto este comportamiento rectificante (fig. 10). Para los dispositivos s. con más de una unión P-N, v. TRANSISTORES.
2) Diodos túnel. Dispositivo s. formado por una unión P-N cuya característica 1-V presenta propiedades especiales (fig. 1l). La unión P-N que da origen a este tipo de diodos tiene como rasgos fundamentales los siguientes:a) Las regiones P y N están muy dopadas, de forma que tienen una gran conductividad o, lo que es equivalente, el nivel de Fermi en la región P está en el interior de la banda de valencia, y en la región N en el interior de la de conducción.
b) La región de transición entre las zonas N y P es muy estrecha.
Al aplicar una polarización directa, se enfrentan niveles energéticos ocupados de la región N a niveles vacíos de la región P, separados por una barrera de potencial correspondiente a la zona de transición, muy estrecha. Las propiedades cuánticas de los electrones permiten el paso, a través de la barrera, entre estos niveles (efecto túnel), con la consiguiente aparición de una corriente. Al aumentar aún más el potencial externo, dejan de existir niveles llenos frente a niveles vacíos, cesando el efecto túnel y comportándose el dispositivo, a partir de ese valor del potencial, en la forma habitual. Clásicamente, las propiedades de este dispositivo resultan inexplicables (figs. 12, 13 y 14).
3) Dispositivos optoelectrónicos. Su objetivo fundamental es la conversión de energía luminosa en eléctrica o viceversa.
a) Fotorresistencias. Al iluminar un s. con luz de frecuencia adecuada, se generan transiciones de electrones de la banda de valencia a la de conducción, aumentando el número de portadores libres y, por tanto, las propiedades conductoras de dicho semiconductor.
b) Fotodiodos. Diodo s. polarizado inversamente, sobre el que se hace incidir radiación luminosa, con la subsiguiente generación de pares electrón-hueco y, por tanto, aumento de la corriente inversa de saturación.
c) Células solares. Diodo s. polarizado levemente en sentido directo sobre el que incide radiación luminosa, generándose pares electrón-hueco que aumentan la corriente inversa, de forma que llega a superar a la corriente en sentido directo. El dispositivo se comporta como una batería entregando potencia de corriente continua al circuito al que esté conectado. Estas células solares han encontrado aplicación como fuentes de energía eléctrica en satélites espaciales (v. SATÉLITES II).
d) Células electroluminiscentes semiconductoras. Dispositivos que transforman la energía eléctrica, suministrada a un diodo P-N polarizado directamente, en energía luminosa, aprovechando el proceso de recombinación entre electrones de la banda de conducción y huecos de la banda de valencia, con emisión de fotones.
e) Multiplicadores de efecto Hall. En computadoras analógicas hay a veces que realizar operaciones de multiplicación lineal. El efecto Hall, o aparición de un campo eléctrico transversal como consecuencia de la aplicación de un campo magnético perpendicular B, a una corriente 1*que circula por una muestra s., posibilita la construcción de dispositivos que lleven a cabo la operación de multiplicación de señales.
Eh=RhJ,Bz(Rh constante Hall, dependiente del material). Si el campo magnético está creado por un electroimán, es proporcional a la intensidad Jel que lo recorre, lo que implica que la tensión Hall que aparece en la muestra sea proporcional al producto de las dos intensidades, Eh - JzJ,I.
V. t.: TRANSISTORES; ESTADOS DE LA MATERIA II.
Teoría de bandas en sólidos. El estudio riguroso de las propiedades de los sólidos exige la utilización de una teoría genérica, la Mecánica cuántica (V. MECÁNICA IV), y de un modelo para el sólido. Los constituyentes de este modelo son: un conjunto de centros fijos que representan los átomos, y un conjunto de electrones moviéndose entre los centros fijos. La red de centros fijos se supone en una primera aproximación rígida (ficción), la interacción entre los electrones se supone nula (ficción), y la interacción electrón-red se representa por un potencial periódico en el espacio, pero constante en el tiempo (aproximación). La introducción de los efectos ahora despreciados se hace a posteriori enriqueciéndose la teoría. Las soluciones de la ecuación de Schródinger (V. MECÁNICA IV, 1), obtenida después de haber realizado todas las simplificaciones anteriores, dan los valores posibles de la energía para los electrones que se mueven en el sólido sometidos a las interacciones de los centros fijos. Estos valores posibles tienen una distribución en bandas, es decir, están constituidos por un conjunto de valores cuasi-continuos separados por zonas de energía no permitida.
El análisis de las propiedades de estas bandas y del movimiento de los electrones en el interior del sólido, en ausencia o en presencia de campos externos aplicados, permite extraer una serie de conclusiones interesantes tales como:1) Una banda completamente llena no contribuye a la conducción.
2) A la aplicación de un campo externo, los electrones responden, como consecuencia de que están sometidos a la acción de los centros fijos, con una masa distinta a la que poseen en libertad, masa que puede ser negativa en ocasiones y que recibe el nombre de masa efectiva.
3) El movimiento de una vacante («hueco») en una banda que de otra forma estaría llena es similar al de una partícula que poseyera una carga positiva y una masa efectiva positiva.
Semiconductores en equilibrio. La forma en que las bandas de energía permitidas se ocupan en el equilibrio es un problema estadístico cuya solución viene dada para partículas cuánticas que, como las que constituyen el sólido, obedecen el principio de exclusión de Pauli, por la función de la distribución de Fermi: ñ,=número medio de partículas en el estado s de energía1E, 1 +e(E,-Ef )Ier (0 S n,_< 1)La conjunción de estos dos aspectos, estructura en bandas de energía y forma de ocupación de las mismas, permite obtener tres tipos fundamentales de configuración que corresponden respectivamente a metales, s. y aisladores (v. fig. 1, 2 y 3).
La diferencia entre s. y aisladores radica fundamentalmente en la anchura de la zona de energía prohibida Ex (valores tipo: Ge, 0,67 eV; Diamante, 5,2 eV).
Para una temperatura T=0° K, la energía de Fermi El da el límite superior para el que la probabilidad de ocupación es la unidad; a partir de este valor de la energía, la probabilidad de ocupación es nula. En un s. a esta temperatura, el nivel de Fermi cae aproximadamente en torno a la mitad de la zona de energía prohibida, lo que implica que las bandas con energías superiores a El (0°) estarán desocupadas, y las de energías inferiores totalmente llenas. El comportamiento., de tal sustancia a efectos de conducción sería aislante. Al aumentar la temperatura, la probabilidad de ocupación de los niveles superiores aumenta a costa de que disminuya la de los niveles inferiores; la banda superior o de conducción comienza a ocuparse y la inferior o de valencia a desocuparse, posibilitándose la conducción por electrones en la primera y por «huecos» en la segunda. Una sustancia de este tipo recibe el nombre de s. intrínseco, n (electrones en la banda de conducción)=p (huecos en la banda de valencia). S. tipo son, p. ej., el germanio, el silicio, etc. A veces interesa que en una sustancia s. la conducción se realice bien por electrones o bien por huecos, pero no por ambos a la vez como en el caso intrínseco. Para ello se introducen, en el material s. puro, impurezas de características tales que los niveles energéticos adicionales que aparecen como consecuencia de esta introducción caigan, bien próximos al fondo de la banda de conducción o bien al tope de la banda de valencia. Impurezas de estas características son, p. ej., fósforo en germanio para el primer caso, y boro en germanio para el segundo.
La configuración en el esquema de bandas se muestra en las figs. 4 y 5. La elevación de la temperatura provoca la desocupación rápida de -los niveles de impurezas en el primer caso, con cesión de electrones a la banda de conducción; y en el segundo, la ocupación de los niveles de impurezas a costa de la desocupación de la banda de valencia. Se posibilita así la conducción por huecos en este caso y por electrones en aquél. A estos s. que ya no verifican n (electrones en la banda de conducción)=p (huecos en la banda de valencia) se les conoce como s. extrínsecos tipos N y P respectivamente, y a las impurezas añadidas, dadoras y aceptoras. Si continuáramos aumentando la temperatura, se incrementaría la ocupación de la banda de conducción a costa de la desocupación de la banda de valencia, volviendo a dominar el comportamiento intrínseco, n - p (fig. 6).
Semiconductores en condiciones de no equilibrio. La aplicación de campos externos (causas) a un material s. provoca la aparición de unas «corrientes» (efectos), interrelacionadas con aquéllos a través de características propias del material. Estas relaciones pueden obtenerse partiendo de los efectos de los campos sobre las partículas individuales y tratando posteriormente el conjunto de partículas que constituyen el sólido desde un punto de vista estadístico.
Los efectos de los campos sobre las partículas individuales pueden estudiarse, según señalamos anteriormente, adscribiéndoles una masa efectiva que depende de la forma que posea la estructura de bandas del sólido en el interior del cual se mueven estos portadores; esta masa efectiva incorpora en su expresión el hecho de que los portadores están sometidos no sólo a fuerzas externas producto de los campos, sino también a fuerzas internas debidas al potencial periódico de la estructura cristalina. El tratamiento a nivel macroscópico exige la utilización de métodos de análisis estadístico para sistemas de no equilibrio.
Se define la función f(r, p, t) de forma que f(r, p, t).dr-dp sea el número de portadores que en el instante t tienen su posición en el interior del volumen dr y su momento en el rango dp (v. PLASMA). La evolución temporal de este número de portadores viene regida por una ecuación donde se expliciten todos los mecanismos mediante los cuales esa función f (r, p, t) pueda cambiar. Esta ecuación se denomina ecuación de transporte de Boltzman y tiene para s. la formaafe + ,,e + afeat at Fuerzas Ot Difusión - ate )Ot afeatColisiones Generaciónpara la banda de conducción, y una expresión análoga para la banda de valenciaafv afv afv at at Fuerzas Ot Difusión- afv afv OtColisiones Ot Generaciónen ellas se ha considerado el que f(r, p, t) puede cambiar como consecuencia de que:1) Dependa explícitamente del tiempo, afat 2) Se modifique el valor de p por acción de las fuerzas externas,Ot/puerzas3) Se modifique la posición r, at 'Difusión4) Se modifique su momento p como consecuencia de algún choque bruscoOt 'colisiones5) Se generen o recombinen portadores como consecuencia de la existencia de transiciones entre bandasat )GeneraciónEn síntesis, la ecuación refleja el hecho de que los campos externos tienden a separar al sistema de su estado de equilibrio, en tanto que los mecanismos de colisión tienden a hacerlo volver a él. El término que incorpora los fenómenos de colisión tiene una expresión dependiente del tipo de colisión de que se trate (electrones, vibraciones de la red (fonones), electrones-impurezas, electrones-defectos estructurales...). Este término puede escribirse bajo ciertas condiciones en la formaaf _ (f-fo)at )Colisiones T(r, p) 'que expresa el hecho de que al cesar la perturbación externa el sistema tiende a regresar al estado de equilibrio mediante un proceso de relajación describible por el tiempo de relajación T. La resolución de la ecuación de Boltzman es, en estas circunstancias, posible y a partir de la f(r, p, t) calculada pueden obtenerse ya las expresiones que relacionan los efectos macroscópicos (corrientes eléctricas, térmicas...), con sus causas (campos eléctricos, gradientes de temperatura...), a través de parámetros relacionados con la estructura del material (conductividad eléctrica, térmica...).
Todas las propiedades de los s. son explicables haciendo uso de la estructura desarrollada. Analicemos, p. ej., el fenómeno de la resistividad diferencial negativa. La expresión de la corriente en un s. tipo N viene dada por J=egnnE,donde E representa el campo eléctrico aplicado, n el número de electrones de la banda de conducción, e la carga eléctrica, y g„ la movilidad de los mismos. Al variar la temperatura se modifica la movilidad, mayor o menor facilidad para moverse, ya que los procesos de colisión, que determinan el valor de ésta, son dependientes de T; pero también se modifica el número de portadores en la banda de conducción como consecuencia de los procesos de generación térmica, bien a partir de los niveles de impurezas, bien a partir de la banda de valencia. La dependencia conjunta de estos dos parámetros conduce a un aumento de o-, o disminución de p, con T en consonancia con los resultados experimentales para este tipo de sustancias. En el caso de metales, el número de portadores no varía, en tanto que sí lo hace la movilidad. Esta dependencia conduce a un aumento de p al aumentar T.
Aplicaciones de los semiconductores. Algunas de las aplicaciones de los s. que mayor incidencia han tenido en la tecnología de los dispositivos electrónicos son:1) Rectificadores. La unión de dos s. de tipos P y N tiene propiedades rectificantes. El mecanismo físico que explica estas propiedades puede sintetizarse brevemente: en ausencia de campos externos aplicados el sistema está en equilibrio dinámico mediante el intercambio de electrones y de huecos de una región a otra; esta condición de equilibrio se expresa en términos de una igualación de los niveles de Fermi a lo largo de todo el material. Como consecuencia de la existencia de una diferencia de concentración en la zona de la unión habrá una corriente de difusión de electrones de la zona N a la P, y de huecos de la zona P a la N; este paso de portadores provoca la aparición de una región de carga fija como consecuencia de las impurezas que quedan sin compensar, y, por tanto, la de un campo eléctrico que favorece el arrastre de los portadores que se generan térmicamente en dicha zona, electrones hacia la zona N y de huecos hacia la P. La igualación de estas corrientes de arrastre y difusión, tantopara electrones como para huecos, es la condición necesaria de equilibrio (fig. 7).
La aplicación de un campo eléctrico externo puede aumentar este campo interno, disminuyendo la difusión, o bien reducirlo, con el consiguiente favorecimiento del proceso de difusión. En uno u otro caso la corriente es distinta de cero, y su expresión viene dada porI=Io (exp (eV1kT)-1).
Para valores de V suficientemente grandes frente a kT aplicados en sentido inverso (zona N positiva frente a zona P), I=lo, la corriente que circula es la debida a la generación de portadores en la zona de la unión cuyo valor es pequeño y limitado. Para valores de V aplicados en sentido directo, I aumenta de forma exponencial (figs. 8 y 9). Las gráficas 1-V ponen de manifiesto este comportamiento rectificante (fig. 10). Para los dispositivos s. con más de una unión P-N, v. TRANSISTORES.
2) Diodos túnel. Dispositivo s. formado por una unión P-N cuya característica 1-V presenta propiedades especiales (fig. 1l). La unión P-N que da origen a este tipo de diodos tiene como rasgos fundamentales los siguientes:a) Las regiones P y N están muy dopadas, de forma que tienen una gran conductividad o, lo que es equivalente, el nivel de Fermi en la región P está en el interior de la banda de valencia, y en la región N en el interior de la de conducción.
b) La región de transición entre las zonas N y P es muy estrecha.
Al aplicar una polarización directa, se enfrentan niveles energéticos ocupados de la región N a niveles vacíos de la región P, separados por una barrera de potencial correspondiente a la zona de transición, muy estrecha. Las propiedades cuánticas de los electrones permiten el paso, a través de la barrera, entre estos niveles (efecto túnel), con la consiguiente aparición de una corriente. Al aumentar aún más el potencial externo, dejan de existir niveles llenos frente a niveles vacíos, cesando el efecto túnel y comportándose el dispositivo, a partir de ese valor del potencial, en la forma habitual. Clásicamente, las propiedades de este dispositivo resultan inexplicables (figs. 12, 13 y 14).
3) Dispositivos optoelectrónicos. Su objetivo fundamental es la conversión de energía luminosa en eléctrica o viceversa.
a) Fotorresistencias. Al iluminar un s. con luz de frecuencia adecuada, se generan transiciones de electrones de la banda de valencia a la de conducción, aumentando el número de portadores libres y, por tanto, las propiedades conductoras de dicho semiconductor.
b) Fotodiodos. Diodo s. polarizado inversamente, sobre el que se hace incidir radiación luminosa, con la subsiguiente generación de pares electrón-hueco y, por tanto, aumento de la corriente inversa de saturación.
c) Células solares. Diodo s. polarizado levemente en sentido directo sobre el que incide radiación luminosa, generándose pares electrón-hueco que aumentan la corriente inversa, de forma que llega a superar a la corriente en sentido directo. El dispositivo se comporta como una batería entregando potencia de corriente continua al circuito al que esté conectado. Estas células solares han encontrado aplicación como fuentes de energía eléctrica en satélites espaciales (v. SATÉLITES II).
d) Células electroluminiscentes semiconductoras. Dispositivos que transforman la energía eléctrica, suministrada a un diodo P-N polarizado directamente, en energía luminosa, aprovechando el proceso de recombinación entre electrones de la banda de conducción y huecos de la banda de valencia, con emisión de fotones.
e) Multiplicadores de efecto Hall. En computadoras analógicas hay a veces que realizar operaciones de multiplicación lineal. El efecto Hall, o aparición de un campo eléctrico transversal como consecuencia de la aplicación de un campo magnético perpendicular B, a una corriente 1*que circula por una muestra s., posibilita la construcción de dispositivos que lleven a cabo la operación de multiplicación de señales.
Eh=RhJ,Bz(Rh constante Hall, dependiente del material). Si el campo magnético está creado por un electroimán, es proporcional a la intensidad Jel que lo recorre, lo que implica que la tensión Hall que aparece en la muestra sea proporcional al producto de las dos intensidades, Eh - JzJ,I.
V. t.: TRANSISTORES; ESTADOS DE LA MATERIA II.
Fuente:M. HERNÁNDEZ GONZÁLEZ (http://www.canalsocial.net/GER/ficha_GER.asp?id=11946&ca)
Publicado por: Pablo Jose Mago Vazquez
C.I. 18.146.112
EES
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