Anexo I Semiconductores

CAPÍTULO 19

FÍSICA BÁSICA DE
SEMICONDUCTORES

19-1

INTRODUCCIÓN
En los capítulos anteriores supusimos que los dispositivos semiconductores de potencia contaban con características casi ideales. Estas propiedades incluían:
1.
2.
3.
4.

Grandes tensiones de ruptura
Tensiones y resistencias bajas de estado activo
Encendido y apagado rápidos
Gran capacidad de disipación de potencia

Pese a losavances significativos en el desarrollo de los dispositivos de potencia, no existe ninguno que tenga todas estas propiedades en forma simultánea. En todos los tipos de dispositivos hay una concesión entre
las tensiones de ruptura y las pérdidas de estado activo. En los dispositivos bipolares (portadores minoritarios) también hay una concesión entre las pérdidas de estado activo y las velocidades deconmutación.
Estas concesiones significan que no existe un solo tipo de dispositivo útil para todas las aplicaciones.
El requerimiento de la aplicación específica se tiene que adaptar a las capacidades de los dispositivos disponibles. A menudo esto requiere planteamientos ingeniosos e innovadores de diseño. Por ejemplo, quizá
se tengan que combinar varios dispositivos en conexiones paralelas o enserie a fin de controlar cantidades
grandes de potencia.
En este ámbito, es importante que el usuario tenga una comprensión cualitativa firme de la física de los
dispositivos de potencia, así como de su fabricación y empaque. El conocimiento superficial de dispositivos
de estado sólido de baja potencia es insuficiente para el uso eficaz de dispositivos de alta potencia. Es más,
una extrapolacióningenua de conocimientos de dispositivos de baja potencia al régimen de alta potencia
podría perjudicar e incluso destruir el dispositivo de alta potencia.
En los siguientes capítulos exploraremos la operación, fabricación y embalaje de dispositivos de alta
potencia. En este capítulo revisaremos las propiedades fundamentales de los semiconductores.

19-2

PROCESOS DE CONDUCCIÓN EN SEMICONDUCTORES19-2-1

METALES, AISLANTES Y SEMICONDUCTORES

La corriente eléctrica fluye en un material si contiene portadores de carga (por lo general, electrones) libres
para moverse en respuesta a la aplicación de un campo eléctrico. La cantidad de portadores libres en diferentes materiales varía en un rango extraordinariamente amplio. En metales como cobre o plata, la densidad
de electrones libres es del ordende 1023 cmϪ3, mientras que en aislantes como cuarzo u óxido de aluminio
la densidad de electrones libres es menor que 103 cmϪ3. Esta diferencia de densidades de electrones libres
es la razón por la cual la conductividad eléctrica en metales es del orden de 106 mhos-cmϪ1, mientras que es
del orden de 10Ϫ15 mhos-cmϪ1 o menos en un aislante bueno. Un material como el silicio o el arseniuro de

448CAPÍTULO 19

Física básica de semiconductores

galio, con una densidad de portadores libres intermedia entre la de un aislante y un metal (108 Ϫ 1019 cmϪ3),
se llama semiconductor.
En un metal o un aislante, la densidad de portadores libres es una constante del material y no puede
cambiarse en un grado significativo. Sin embargo, en un semiconductor se puede cambiar la densidad
de portadoreslibres por órdenes de magnitud, ya sea por la introducción de impurezas en el material o por
la aplicación de campos eléctricos a estructuras de semiconductores correspondientes. Esta capacidad para
manipular la densidad de portadores libres en grandes cantidades es lo que hace del semiconductor un material tan único y útil para las aplicaciones eléctricas.

19-2-2

ELECTRONES Y HUECOS

Un solocristal de semiconductor como el silicio, con cuatro electrones de valencia, está compuesto por un
arreglo regular o retículo de átomos de silicio. Cada átomo de silicio está ligado a cuatro vecinos más cercanos, como lo ilustra la figura 19-1, mediante relaciones covalentes compuestas por electrones compartidos entre los dos átomos colindantes. En temperaturas superiores a cero absoluto, algunos de...