Fonaments d'aprenentatge dels semiconductors

Proveu El Nostre Instrument Per Eliminar Problemes





En aquest post aprenem de manera exhaustiva els principis fonamentals de funcionament dels dispositius semiconductors i el funcionament de l’estructura interna dels semiconductors sota la influència de l’electricitat.

El valor de resistivitat entre aquests materials semiconductors no té cap característica de conductor ni un aïllant complet, sinó que es troba entre aquests dos límits.



Aquesta característica pot definir la propietat dels semiconductors del material, però seria interessant saber com funciona un semiconductor entre un conductor i un aïllant.

Resistivitat

Segons la llei d'Ohm, la resistència elèctrica d'un dispositiu electrònic es defineix com la proporció de la diferència de potencial entre el component i el corrent que circula pel component.



Ara, utilitzar la mesura de resistència pot suposar un problema: el seu valor canvia a mesura que canvia la dimensió física del material resistiu.

Per exemple, quan un material resistiu augmenta en longitud, el seu valor de resistència també augmenta proporcionalment.
De la mateixa manera, quan augmenta el seu gruix, el seu valor de resistència disminueix proporcionalment.

La necessitat aquí és definir un material que pugui indicar una propietat de conducció o oposició al corrent elèctric independentment de la seva mida, forma o aspecte físic.

La magnitud per expressar aquest valor de resistència particular es coneix com a Resistivitat, que té el synbol ρ, (Rho)

La unitat de mesura de la resistivitat és Ohm-metre (Ω.m), i es pot entendre com un paràmetre invers de conductivitat.

Per obtenir les comparacions entre les resistivitats de diversos materials, es classifiquen en 3 categories principals: conductors, aïllants i semiconductors. El gràfic següent proporciona els detalls necessaris:

Com podeu veure a la figura anterior, hi ha una diferència insignificant en la resistivitat de conductors com l’or i la plata, mentre que pot haver-hi una diferència significativa en la resistivitat dels aïllants com el quars i el vidre.

Això es deu a la seva resposta a la temperatura ambiental que fa que els metalls siguin conductors enormement eficients que els aïllants

Conductors

A la taula anterior entenem que els conductors tenen la menor resistivitat, que pot ser típicament en microohms / metre.

A causa de la seva baixa resistivitat, el corrent elèctric pot passar-hi fàcilment, a causa de la disponibilitat d'una gran quantitat d'electrons.

No obstant això, aquests electrons només es poden empènyer quan la seva pressió és a través del conductor, i aquesta pressió es pot formar aplicant una tensió a través del conductor.

Per tant, quan s’aplica un conductor amb una diferència de potencial positiva / negativa, els electrons lliures de cada àtom del conductor es veuen obligats a desallotjar-se dels seus àtoms pares i comencen a derivar a través del conductor, i generalment es coneix com a flux de corrent .

El grau en què es poden moure aquests electrons depèn de la facilitat amb què es poden alliberar dels seus àtoms, en resposta a una diferència de voltatge.

Els metalls es consideren generalment bons conductors de l’electricitat i, entre els metalls, l’or, la plata, el coure i l’alumini són els millors conductors ordenats.

Com que aquests conductors tenen molt pocs electrons a la banda de valència dels seus àtoms, es desmunten fàcilment per una diferència de potencial i comencen a saltar d'un àtom a un següent a través d'un procés anomenat 'Efecte Domino', donant lloc a un flux de corrent a través de el conductor.

Tot i que l'or i la plata són els millors conductors de l'electricitat, el coure i l'alumini són els preferits per fabricar cables i cables a causa del seu baix cost i abundància, i també de la seva robustesa física.

Tot i que el coure i l’alumini són bons conductors de l’electricitat, encara tenen certa resistència, perquè res no pot ser 100% ideal.

Encara que petita, la resistència que ofereixen aquests conductors pot ser significativa amb l'aplicació de corrents més elevats. Finalment, la resistència a corrents més elevats en aquests conductors es dissipa com a calor.

Aïllants

Contràriament als conductors, els aïllants són mals conductors de l’electricitat. Generalment es presenten en forma de no metalls i tenen electrons molt poc vulnerables o lliures amb els seus àtoms progenitors.

És a dir, els electrons d’aquests no metalls estan estretament units amb els seus àtoms progenitors, que són extremadament difícils d’allotjar amb l’aplicació de la tensió.

A causa d’aquesta característica, quan s’aplica una tensió elèctrica, els electrons no s’allunyen dels àtoms, donant lloc al flux d’electrons i, per tant, no es produeix cap conducció.

Aquesta propietat comporta un valor de resistència molt elevat a l’aïllant, de l’ordre de molts milions d’ohms.

Materials com el vidre, el marbre, el PVC, els plàstics, el quars, el cautxú, la mica i la baquelita són exemples de bons aïllants.

Igual que els conductors, els aïllants juguen un paper important en l'àmbit de l'electrònica. Sense aïllant seria impossible aïllar les diferències de tensió entre les etapes del circuit, cosa que provocaria curtcircuits.

Per exemple, veiem l’ús de porcellana i vidre en torres d’alta tensió per transmetre l’alimentació de CA de manera segura a través dels cables. Als cables fem servir PVC per aïllar terminals negatius i positius, i als PCB fem servir baquelita per aïllar les pistes de coure les unes de les altres.

Conceptes bàsics dels semiconductors

Materials com el silici (Si), el germani (Ge) i l’arsenur de gal·li es troben sota els materials semiconductors bàsics. Es deu al fet que aquests materials tenen la característica de conduir electricitat de forma intermèdia i no donen ni una conducció ni un aïllament adequats. A causa d'aquesta propietat, aquests materials es denominen semiconductors.

Aquests materials presenten molt pocs electrons lliures a través dels seus àtoms, que s’agrupen estretament en una formació de gelosia cristal·lina. Tot i així, els electrons poden desallotjar-se i fluir, però només quan s’utilitzen condicions específiques.

Dit això, es pot millorar la velocitat de conducció en aquests semiconductors mitjançant la introducció o substitució d'algun tipus d'àtoms de 'donant' o 'acceptor' a la disposició cristal·lina, permetent l'alliberament d'electrons lliures extra i 'forats' o vice versa.

Això s’implementa introduint una certa quantitat de material extern al material existent, com ara silici o germani.

Per si mateixos, materials com el silici i el germani es classifiquen com a semiconductors intrínsecs, per la seva naturalesa química pura extrema i la presència de material semiconductor complet.

Això també significa que, aplicant-hi una quantitat controlada d’impuresa, podem determinar la velocitat de conducció d’aquests materials intrínsecs.

Podem introduir tipus d’impureses anomenades donants o acceptors en aquests materials per millorar-los amb electrons lliures o forats lliures.

En aquests processos quan s’afegeix una impuresa a un material intrínsec en la proporció d’un àtom d’impuresa per cada 10 milions d’àtoms de material semiconductor, s’anomena Dopatge .

Amb la introducció d’una impuresa suficient, un material semiconductor es podria transformar en un material de tipus N o tipus P.

El silici es troba entre els materials semiconductors més populars, ja que té 4 electrons de valència a través de la seva capa més externa i també està envoltat d’àtoms adjacents que formen una òrbita total de 8 electrons.

L’enllaç entre els dos àtoms de silici es desenvolupa de manera que permet compartir un electró amb el seu àtom adjacent, donant lloc a un bon enllaç estable.

En la seva forma pura, un cristall de silici pot tenir molt pocs electrons de valència lliures, atribuint-li les propietats d’un bon aïllant, amb valors de resistència extrems.

Connectar un material de silici a una diferència de potencial no ajudarà a cap conducció a través d’ell, tret que s’hi creïn algun tipus de polaritat positiva o negativa.

I per crear aquestes polaritats, el procés de dopatge s’implementa en aquests materials afegint impureses tal com es va comentar als paràgrafs anteriors.

Comprensió de l'estructura de l'àtom de silici

imatge de gelosia de cristall de silici

àtom de silici que mostra 4 electrons a la seva òrbita de valència

A les imatges anteriors veiem com és l’estructura d’un reticle regular de cristall de silici pur. Per a la impuresa, normalment s'introdueixen materials com l'arsènic, l'antimoni o el fòsfor dins dels cristalls semiconductors que els converteixen en extrínsecs, és a dir, que tenen 'impureses'.

Les impureses esmentades es componen de 5 electrons a la seva banda més externa coneguda com a impuresa 'pentavalent', per compartir amb els seus àtoms adjacents.
Això garanteix que 4 dels 5 àtoms puguin unir-se als àtoms de silici adjacents, excloent un únic 'electró lliure' que es pot alliberar quan es connecta una tensió elèctrica.

En aquest procés, com que els àtoms impurs comencen a 'donar' cada electró a través del seu àtom proper, els àtoms 'pentavalents' es denominen 'donants'.

Ús de l’antimoni per al dopatge

L’antimoni (Sb) i el fòsfor (P) sovint es converteixen en la millor opció per introduir la impuresa ‘pentavalent’ al silici. àtom d’antimoni que mostra 5 electrons a la seva òrbita de valència semiconductor tipus p

A Antimoni, 51 electrons estan configurats a través de 5 closques al voltant del seu nucli, mentre que la seva banda més externa consta de 5 electrons.
A causa d’això, el material semiconductor bàsic és capaç d’adquirir electrons de transport de corrent addicionals, atribuïts cadascun amb una càrrega negativa. Per tant, s'anomena 'material de tipus N'.

A més, els electrons s'anomenen 'portadors de la majoria' i els forats que es desenvolupen posteriorment s'anomenen 'portadors de minories'.

Quan un semiconductor dopat amb antimoni està sotmès a un potencial elèctric, els electrons que es descomponen són substituïts instantàniament pels electrons lliures dels àtoms d’antimoni. Tanmateix, atès que el procés manté finalment un electró lliure flotant dins del cristall dopat, això fa que sigui un material carregat negativament.

En aquest cas, un semiconductor es pot anomenar de tipus N si té una densitat de donant superior a la seva densitat d’acceptació. Significat quan hi ha un nombre més elevat d’electrons lliures en comparació amb el nombre de forats, provocant una polarització negativa, tal com s’indica a continuació.

Comprensió de semiconductors de tipus P

Si considerem la situació a l'inrevés, introduir una impuresa 'Trivalent' de 3 electrons en un cristall semiconductor, per exemple, si introduïm alumini, bor o indi, que contenen 3 electrons en el seu enllaç de valència, per tant, es fa impossible formar un enllaç 4.

A causa d'això, es fa difícil una connexió completa, cosa que permet al semiconductor tenir un munt de portadors carregats positivament. Aquests portadors es diuen 'forats' a tota la xarxa de semiconductors, a causa de la manca d'electrons.

Ara, a causa de la presència de forats al cristall de silici, un electró proper s’atrau al forat, intentant omplir la ranura. Tanmateix, tan bon punt els electrons intenten fer-ho, deixa la seva posició creant un nou forat en la seva posició anterior.

Al seu torn, això atrau el següent electró proper, que torna a deixar un nou forat mentre intenta ocupar el següent forat. El procés continua donant la impressió que en realitat els forats es mouen o flueixen a través del semiconductor, cosa que generalment reconeixem com el patró de flux convencional de corrent.

Quan els 'forats semblen moure's' es produeix una escassetat d'electrons que permet que tot el cristall dopat adquireixi una polaritat positiva.

Com que cada àtom d’impuresa esdevé responsable de generar un forat, aquestes impureses trivalents s’anomenen «acceptors» pel fet que continuen acceptant electrons lliures de forma contínua durant el procés.
El bor (B) és un dels additius trivalents que s'utilitza popularment per al procés de dopatge explicat anteriorment.

Quan s’utilitza bor com a material dopant, fa que la conducció tingui principalment portadors carregats positivament.
Això es tradueix en la creació de material de tipus P amb forats positius anomenats 'portadors de la majoria', mentre que els electrons lliures s'anomenen 'portadors de minories'.

Això explica com un material base semiconductor es converteix en tipus P a causa de la densitat augmentada dels seus àtoms acceptors en comparació amb els àtoms donants.

Com s’utilitza el bor per al dopatge

àtom de bor que mostra 3 electrons en el seu enllaç de valència exterior

taula periòdica per a semiconductors

Resumint els fonaments dels semiconductors

Semiconductor de tipus N (dopat amb una impuresa pentavalent com, per exemple, Antimoni)

Aquests semiconductors dopats amb àtoms d’impuresa pentavalents s’anomenen donants, ja que mostren una conducció a través del moviment d’electrons i, per tant, s’anomenen semiconductors de tipus N.
A Semiconductor de tipus N trobem:

  1. Donants amb càrrega positiva
  2. Nombre d’electrons lliures
  3. Nombre relativament menor de 'forats' en comparació amb els 'electrons lliures'
  4. Com a resultat del dopatge, es creen donants amb càrrega positiva i electrons lliures amb càrrega negativa.
  5. L’aplicació d’una diferència de potencial resulta en el desenvolupament d’electrons amb càrrega negativa i forats amb càrrega positiva.

Semiconductor de tipus P (dopat amb una impuresa trivalent com el bor per exemple)

Aquests semiconductors dopats amb àtoms d’impuresa trivalents s’anomenen acceptors, ja que mostren una conducció a través del moviment de forats i, per tant, s’anomenen semiconductors de tipus P.
A Semiconductor de tipus N trobem:

  1. Acceptadors amb càrrega negativa
  2. Quantitat de forats
  3. Nombre relativament menor d’electrons lliures en comparació amb la presència de forats.
  4. El dopatge dóna lloc a la creació d’acceptadors amb càrrega negativa i forats amb càrrega positiva.
  5. L’aplicació d’una tensió registrada provoca la generació de forats amb càrrega positiva i electrons lliures amb càrrega negativa.

Per si sols, els semiconductors de tipus P i N són naturalment elèctricament neutres.
Normalment, l'antimoni (Sb) i el bor (B) són els dos materials que s'utilitzen com a membres dopants a causa de la seva abundant disponibilitat. Aquests també són anomenats 'mettaloids'.

Dit això, si mireu la taula periòdica, trobareu molts altres materials similars que tenen 3 o 5 electrons a la seva banda atòmica més externa. Implica que aquests materials també poden ser adequats per al propòsit del dopatge.
Taula periòdica




Anterior: Circuit d’alimentació de gossos controlat per telèfon mòbil Següent: Descripció dels circuits dels amplificadors