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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

Introducción a Tiristores. Materiales semiconductores

El término “semiconductor” revela por sí mismo una idea de sus características. El prefijo “semi” suele aplicarse a un rango de niveles situados a la mitad de dos límites. El término conductor se aplica a cualquier material que permite un gran flujo de carga, cuando una fuente de voltaje de magnitud limitadase aplica a través de sus terminales.
Un aislante o dieléctrico es un material que ofrece un nivel muy bajo de conductividad bajo la presión de una fuente de voltaje aplicada.
Un semiconductor, es un material que posee un nivel de conductividad que se localiza entre los extremos de un dieléctrico y un conductor.
Inversamente relacionada con la conductividad de un material, se encuentra laresistencia al flujo de la carga o corriente. Esto es, mientras más alto es el nivel de conductividad, menor es el nivel de resistencia.

El germanio y el silicio han recibido la atención que tienen por varias razones. Una consideración muy importante es el hecho de que pueden ser fabricados con un muy alto grado de pureza. De hecho, los avances recientes han reducido los niveles de impureza en elmaterial puro a una parte por cada 10 mil millones.
Se preguntará si son necesarios estos niveles de impureza. Sí, si se considera que la adición de una parte de impurezas (del tipo adecuado) por millón, en una oblea de silicio puede cambiar dicho material de un conductor relativamente pobre a un buen conductor de electricidad. La habilidad de cambiar las características del material en formasignificativa a través de este proceso, se conoce como “dopado”, qué es otra de las razones por las que el Ge y el Si han recibido mayor atención.
Otras razones incluyen el hecho de que sus características pueden ser alteradas de forma importante mediante la aplicación de luz o calor.
Algunas de esas características son consecuencia de su estructura atómica.
Los átomos del Ge y del Si organizan unpatrón bien definido que por naturaleza es periódico, esto es, se repite continuamente; a este patrón se le llama cristal y al arreglo periódico se le llama red. Ambos materiales presentan una estructura tridimensional. Si dichas estructuras cristalinas son del mismo tipo se les conoce como estructura mono cristal. Además, se ha observado que la estructura de estos materiales no se alterademasiado al aplicársele impurezas.

En la Figura 1 se muestran los modelos de Bohr para el Ge y el Si, como se puede observar, en ambos casos se tienen 4 electrones en la capa exterior (de valencia). El potencial que se requiere (potencial de ionización) para sacar de la estructura a cualquiera de los 4 electrones de valencia es menor que el que se requiere para sacar cualquier otro electrón de laestructura.

En el caso de un cristal puro de Ge o Si, los 4 electrones de valencia se enlazan con 4 átomos adyacentes como se muestra en la Figura 2. Tanto el Ge como el Si se denominan átomos tetravalentes porque cada uno de ellos mantiene 4 electrones de valencia.
A la unión de átomos mediante electrones de valencia compartidos se le llama enlace covalente. Si bien el enlace covalente esun vínculo fuerte entre los electrones de valencia y su átomo, es posible que adquieran la suficiente energía cinética de forma natural para poder romper el enlace y asumir un estado “libre”. Las causas naturales pueden ser energía luminosa en forma de fotones o energía térmica proveniente del entorno.
A temperatura ambiente, hay alrededor de 1.5 x 1010 electrones libres (conocidos comoportadores libres) en un cm3 de material intrínseco de Si.

Material intrínseco. Es aquel que se ha refinado cuidadosamente con el objetivo de reducir las impurezas hasta un nivel muy bajo, mediante la actual tecnología.


Figura 1. Estructura atómica de: a) Ge, b) Si Figura 2. Enlace covalente del Si

Un incremento en la temperatura del semiconductor puede ocasionar un incremento...