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Introducción a circuitos electrónicos

1. ELECTRONICA ANALOGICA TEMA: Introducción a los Semiconductores UNIDAD DIDÁCTICA: CONTENIDO TEMÁTICO – 01

2. Temas Introducción Materiales semiconductores Niveles de energía Materiales intrínsecos y extrínsecos Materiales tipo N y tipo P

3. 1. Introducción Una de las cosas notables de este campo, como en muchas otras áreas de la tecnología, es lo poco que cambian los principios fundamentales con el tiempo. Los sistemas son increíblemente más pequeños, las velocidades de operación actuales son en verdad extraordinarias y cada día aparecen nuevos artefactos que hacen que nos preguntemos hacia dónde nos está llevando la tecnología. No obstante, si nos detenemos un momento para considerar que la mayoría de todos los dispositivos en uso fueron inventados hace décadas y que las técnicas de diseño que aparecen en libros que datan de la década de 1930 se siguen utilizando, nos damos cuenta que la mayor parte de lo que vemos es en principio una mejora continua de las técnicas de construcción, las características generales y las técnicas de aplicación, en vez del desarrollo de elementos nuevos y básicamente diseños nuevos. Los cambios más importantes se han presentado en la comprensión de cómo funcionan estos dispositivos y de su amplia gama de capacidades y en los métodos mejorados para enseñar los fundamentos asociados con ellos.

4. … La miniaturización que ha ocurrido en años recientes hace que nos preguntemos hasta dónde llegarán sus límites. Sistemas completos ahora aparecen en obleas miles de veces más pequeñas que el elemento único de redes primitivas. Jack Kilby desarrolló el primer circuito integrado (CI) mientras trabajaba en Texas Instruments en 1958. Hoy en día, el procesador cuádruple Intel Core 2 Extreme cuenta con 410 millones de transistores en cada chip de doble núcleo. Obviamente, hemos llegado a un punto donde el propósito principal del contenedor es el de servir como un medio de manejar el dispositivo o sistema y proporcionar un mecanismo de conexión al resto de la red. La miniaturización adicional parece estar limitada por tres factores: la calidad del material semiconductor, la técnica de diseño de redes y los límites del equipo de fabricación y procesamiento.

5. 2. Materiales semiconductores La construcción de cualquier dispositivo electrónico discreto (individual) de estado sólido (estructura de cristal duro) o circuito integrado, se inicia con un material semiconductor de la más alta calidad. Los semiconductores son una clase especial de elementos cuya conductividad se encuentra entre la de un buen conductor y la de un aislante. En general, los materiales semiconductores caen dentro de una de dos clases: de un solo cristal y compuesto. Los semiconductores de un solo cristal como el germanio (Ge) y el silicio (Si) tienen una estructura cristalina repetitiva, en tanto que compuestos como el arseniuro de galio ( GaAs ), el sulfuro de cadmio ( CdS ), el nitruro de galio ( GaN ) y el fosfuro de galio y arsénico ( GaAsP ) se componen de dos o más materiales semiconductores de diferentes estructuras atómicas.

6. … Los tres semiconductores más frecuentemente utilizados en la construcción de dispositivos electrónicos son Ge, Si y GaAs . En las primeras décadas después del descubrimiento del diodo en 1939 y el transistor en 1949, se utilizaba germanio casi exclusivamente porque era en cierto modo fácil de encontrar y estaba disponible en grandes cantidades. También era relativamente fácil de refinar para obtener niveles muy altos de pureza, un aspecto importante en el proceso de fabricación. Sin embargo, se descubrió que los diodos y transistores construidos con germanio como material base eran poco confiables, sobre todo por su sensibilidad a los cambios de la temperatura. En aquel entonces, los científicos sabían que otro material, el silicio, tenía mejores sensibilidades a la temperatura, pero el proceso de refinación para producir silicio con niveles muy altos de pureza aún se encontraba en su etapa de desarrollo. Finalmente, en 1954 se presentó el primer transistor de silicio y éste de inmediato se convirtió en el material semiconductor preferido, pues no sólo es menos sensible a la temperatura, sino que es uno de los materiales más abundantes en la Tierra, lo que acaba con cualquier preocupación sobre su disponibilidad. Las compuertas se abrieron ante este nuevo material y la tecnología de diseño y fabricación evolucionó de forma continua a través de los años hasta el alto nivel actual de complejidad.

7. … Sin embargo, conforme pasaba el tiempo, el campo de la electrónica se volvió cada vez más sensible a las cuestiones de velocidad. Las computadoras operaban a velocidades cada vez más altas y los sistemas de comunicación lo hacían a niveles cada vez más altos de desempeño. Se tenía que encontrar un material semiconductor capaz de satisfacer estas necesidades. El resultado fue el desarrollo del primer transistor de GaAs a principios de la década de 1970. Este nuevo transistor operaba a velocidades hasta de cinco veces la del Si. El problema, no obstante, fue que, por los años de intensos esfuerzos de diseño y mejoras en el proceso de fabricación con Si, las redes de transistores de Si para la mayoría de las aplicaciones eran más baratas de fabricar y ofrecían la ventaja de estrategias de diseño altamente eficientes. El GaAs era más difícil de fabricar a altos niveles de pureza, más caro y tenía poco apoyo de diseño en los primeros años de su desarrollo. No obstante, con el tiempo la demanda de mayor velocidad dio por resultado que se asignaran más fondos a la investigación del GaAs , al punto de que en la actualidad se utiliza de manera consistente como material base para nuevos diseños de circuitos integrados a gran escala (VLSI, por sus siglas en inglés) de alta velocidad.

8. … Este breve repaso de la historia de los materiales semiconductores no pretende implicar que el GaAs pronto será el único material apropiado en la construcción de estado sólido. Se siguen fabricando dispositivos de germanio, aunque para un número limitado de aplicaciones. Aun cuando es un semiconductor sensible a la temperatura, tiene características que encuentran aplicación en un número limitado de áreas. Dada su disponibilidad y bajos costos de fabricación, continuará apareciendo en catálogos de productos. Como se señaló previamente, el Si tiene el beneficio de años de desarrollo y es el material semiconductor líder para componentes electrónicos y circuitos integrados (CI). El GaAs es más caro, pero a medida que los procesos de fabricación mejoran y las demandas de mayores velocidades se incrementan, comenzará a desafiar al Si como el material semiconductor dominante.

9. 3. Niveles de energía Dentro de la estructura atómica de cada átomo aislado hay niveles específicos de energía asociados con cada capa y electrón en órbita, como se muestra en la figura siguiente. Los niveles de energía asociados con cada capa son diferentes según el elemento de que se trate. Sin embargo, en general: Cuanto más alejado está un electrón del núcleo, mayor es su estado de energía y cualquier electrón que haya abandonado a su átomo padre tiene un estado de energía mayor que todo electrón que permanezca en la estructura atómica . Observe en la figura 1a que sólo puede haber niveles de energía específicos para los electrones que permanecen en la estructura atómica de un átomo aislado. El resultado es una serie de brechas entre niveles de energía permitidos donde no se permiten portadores. Sin embargo, conforme los átomos de un material se acercan entre sí para formar la estructura entrelazada cristalina, interactúan entre ellos, lo cual hace que los electrones de una capa particular de un átomo tengan niveles de energía ligeramente diferentes de los electrones presentes en la misma órbita de un átomo adyacente.

10. … Niveles de energía: (a) niveles discretos en estructuras atómicas aisladas; (b) bandas de conducción y valencia de un aislante, un semiconductor y un conductor.

11. … El resultado es una expansión de los niveles de energía fijos discretos de los electrones de valencia de la figura 1a a bandas, como se muestra en la figura 1b. En otras palabras, los electrones de valencia de un material de silicio pueden tener diversos niveles de energía, en tanto se encuentren dentro de la banda de la figura 1b. La figura 1b revela con claridad que hay un nivel de energía mínimo asociado con electrones que se encuentran en la banda de conducción y un nivel de energía máximo de electrones enlazados a la capa de valencia del átomo. Entre los dos hay una brecha de energía que el electrón en la banda de valencia debe salvar para convertirse en portador libre. Esa brecha de energía es diferente para Ge, Si y GaAS ; el Ge tiene la brecha mínima y el GaAs la máxima. En suma, esto significa que: Un electrón en la banda de valencia de silicio debe absorber más energía que uno en la banda de valencia de germanio para convertirse en portador libre. Asimismo, un electrón en la banda de valencia de arseniuro de galio debe absorber más energía que uno en la de silicio o germanio para entrar a la banda de conducción.

12. … Esta diferencia en los requerimientos de las brechas de energía revela la sensibilidad de cada tipo de semiconductor a los cambios de temperatura. Por ejemplo, al elevarse la temperatura de una muestra de Ge, el número de electrones que pueden absorber energía térmica y entrar a la banda de conducción se incrementa con rapidez porque la brecha de energía es mínima. Sin embargo, el número de electrones que entran a la banda de conducción en Si o GaAs es mucho menor. Esta sensibilidad a los cambios de nivel de energía puede tener efectos positivos y negativos. El diseño de fotodetectores sensibles a la luz y los sistemas de seguridad sensibles al calor, parecen ser una excelente área de aplicación de los dispositivos de Ge. No obstante, en el caso de redes de transistores, en las que la estabilidad es de alta prioridad, esta sensibilidad a la temperatura o a la luz puede ser un factor perjudicial.

13. … La brecha de energía también revela qué elementos son útiles en la construcción de dispositivos emisores de luz como diodos emisores de luz (LED, por sus siglas en inglés), los cuales se presentarán en breve. Cuanto más ancha es la brecha de energía, mayor es la posibilidad de que la energía se libere en forma de ondas luminosas visibles o invisibles (infrarrojas). En el caso de conductores, el traslape de las bandas de conducción y valencia provoca esencialmente que toda la energía adicional absorbida por los electrones se disipe en forma de calor. Asimismo, en el caso de Ge y Si, como la brecha de energía es tan pequeña, la mayoría de los electrones que absorben suficiente energía para abandonar la banda de valencia terminan en la banda de conducción y la energía se disipa en forma de calor. Sin embargo, en el caso de GaAs la brecha es suficientemente grande para producir radiación luminosa significativa. En el caso de los LED el nivel de dopado y los materiales seleccionados determinan el color resultante.

14. 4. Materiales intrínsecos y extrínsecos Materiales intrínsecos Para apreciar plenamente por qué Si, Ge y GaAs son los semiconductores más utilizados por la industria electrónica, hay que entender la estructura atómica de cada uno y cómo están enlazados los átomos entre sí para formar una estructura cristalina. Todo átomo se compone de tres partículas básicas: electrón, protón y neutrón. En la estructura entrelazada, los neutrones y los protones forman el núcleo; los electrones aparecen en órbitas fijas alrededor de éste. El modelo de Bohr de los tres materiales aparece en la figura 2. Como se indica en la figura 2, el silicio tiene 14 electrones en órbita, el germanio 32, el galio 31 y el arsénico 33 (el mismo arsénico que es un agente químico muy venenoso). En el germanio y el silicio hay cuatro electrones en la capa más externa, los cuales se conocen como electrones de valencia. El galio tiene tres electrones de valencia y el arsénico cinco. Los átomos que tienen cuatro electrones de valencia se llaman tetravalentes; los de tres se llaman trivalentes, y los de cinco se llaman pentavalentes. El término valencia se utiliza para indicar que el potencial (potencial de ionización) requerido para remover cualquiera de estos electrones de la estructura atómica es significativamente más bajo que el requerido para cualquier otro electrón en la estructura.

15. … Estructura atómica del silicio; germanio, y galio y arsénico.

16. … En un cristal de silicio o germanio puros, los cuatro electrones de valencia de un átomo forman un arreglo de enlace con cuatro átomos adyacentes, como se muestra en la figura 3. Este enlace de átomos, reforzado por compartir electrones, se llama enlace covalente. Como el GaAs es un semiconductor compuesto, hay compartición entre los dos átomos diferentes, como se muestra en la figura 4. Cada átomo está rodeado por átomos del tipo complementario. Sigue habiendo compartición de electrones similares en estructura a la de Ge y Si, pero ahora el átomo de As aporta cinco electrones y el átomo de Ga tres. Aunque el enlace covalente produce un enlace más fuerte entre los electrones de valencia y su átomo padre, aún es posible que los electrones de valencia absorban suficiente energía cinética proveniente de causas externas para romper el enlace covalente y asumir el estado “libre”. El término libre se aplica a cualquier electrón que se haya separado de la estructura entrelazada fija y es muy sensible a cualquier campo eléctrico aplicado como el establecido por fuentes de voltaje o por cualquier diferencia de potencial. Las causas externas incluyen efectos como energía luminosa en forma de fotones y energía térmica (calor) del medio circundante

17. … Figura. Enlace covalente del cristal del GaAs

18. … El término intrínseco se aplica a cualquier material semiconductor que haya sido cuidadosamente refinado para reducir el número de impurezas a un nivel muy bajo; en esencia, lo más puro posible que se pueda fabricar utilizando tecnología actual. Los electrones libres presentes en un material debido a sólo causas externas se conocen como portadores intrínsecos. La tabla 1.1 compara el número de portadores intrínsecos por centímetro cúbico de Ge, Si y GaAs . Es interesante señalar que el Ge tiene el mayor número y el GaAs el menor; en realidad, el Ge tiene el doble que el GaAs . El número de portadores en la forma intrínseca es importante, aunque otras características del material son más significativas al determinar su uso en campo. Uno de esos factores es la movilidad relativa (μ𝑛) de los portadores libres en el material, es decir, la capacidad de los electrones libres de moverse por todo el material.

19. … Materiales extrínsecos Como el Si es el material más utilizado como material base (sustrato) en la construcción de dispositivos de estado sólido, el análisis en ésta y en las siguientes secciones se ocupa sólo de semiconductores Si. Como el Ge, el Si y el GaAs comparten un enlace covalente similar, se puede ampliar fácilmente el análisis para incluir el uso de otros materiales en el proceso de fabricación. Como ya antes se indicó, las características de un material semiconductor se pueden modificar de manera significativa con la adición de átomos de impureza específicos al material semiconductor relativamente puro. Estas impurezas, aunque sólo se agregan en 1 parte en 10 millones, pueden alterar la estructura de las bandas lo suficiente para cambiar del todo las propiedades eléctricas del material. Un material semiconductor que ha sido sometido al proceso de dopado se conoce como material extrínseco. Hay dos materiales extrínsecos de inmensurable importancia en la fabricación de dispositivos semiconductores: materiales tipo n y tipo p. Cada uno se describe con algún detalle en las siguientes subsecciones.

20. 5. Materiales tipo N y tipo P Material tipo n Tanto los materiales tipo n como los tipos p se forman agregando un número predeterminado de átomos de impureza a una base de silicio. Un material tipo n se crea introduciendo elementos de impureza que contienen cinco electrones de valencia ( pentavelantes ), como el antimonio, el arsénico y el fósforo. El efecto de tales elementos de impureza se indica en la figura 5 (con antimonio como la impureza en una base de silicio). Figura. Impureza de antimonio en un material tipo n.

21. … Observe que los cuatros enlaces covalentes permanecen. Existe, sin embargo, un quinto electrón adicional debido al átomo de impureza, el cual no está asociado con cualquier enlace covalente particular. Este electrón restante, enlazado de manera poco firme a su átomo padre (antimonio), está en cierto modo libre para moverse dentro del material tipo n recién formado, puesto que el átomo de impureza insertado ha donado un electrón relativamente “libre” a la estructura. Las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se conocen como átomos donadores. Es importante tener en cuenta que aun cuando un gran número de portadores libres se ha establecido en el material tipo n, sigue siendo eléctricamente neutro puesto que de manera ideal el número de protones de carga positiva en los núcleos sigue siendo igual al de los electrones de carga negativa libres y en órbita en la estructura.

22. … El efecto de este proceso de dopado en la conductividad relativa se puede describir mejor utilizando el diagrama de bandas de energía de la figura 6. Observe que un nivel de energía discreto (llamado nivel donador) aparece en la banda prohibida con una Eg significativamente menor que la del material intrínseco. Los electrones libres creados por la impureza agregada se establecen en este nivel de energía y absorben con menos dificultad una cantidad suficiente de energía térmica para moverse en la banda de conducción a temperatura ambiente. El resultado es que, a temperatura ambiente, hay un gran número de portadores (electrones) en el nivel de conducción y la conductividad del material se incrementa de manera significativa.

23. … A temperatura ambiente en un material de Si intrínseco hay alrededor de un electrón libre por cada 10^12 átomos. Si el nivel de dopado es de 1 en 10 millones (10^7), la razón 10^12/10^7=10^5 indica que la concentración de portadores se ha incrementado en una razón de 100,000:1. Figura. Efecto de las impurezas de un donador en la estructura de la banda de energía.

24. … Material tipo p El material tipo p se forma dopando un cristal de germanio o silicio puro con átomos de impureza que tienen tres electrones de valencia. Los elementos más utilizados para este propósito son boro, galio e indio. El efecto de uno de estos elementos, el boro, en una base de silicio se indica en la figura. Figura. Impureza de boro en un material tipo n.

25. … Observe que ahora el número de electrones es insuficiente para completar las bandas covalentes de la estructura recién formada. El vacío resultante se llama hueco y se denota con un pequeño círculo o un signo más, para indicar la ausencia de una carga positiva. Por lo tanto, el vacío resultante aceptará con facilidad un electrón libre: Las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se llaman átomos aceptores. El material tipo p es eléctricamente neutro por las mismas razones descritas para el material tipo n.