sabelotodo





Dispositivos semiconductores


construcción
Figura 1.1

 símbolo
Figura 1.2

covalente
 Figura 1.3

esquema silicio
Figura 1.4

 atomo de hidrógeno
Figura 1.5


El dispositivo semiconductor mas simple es el diodo. Como se muestra en la figura 1.1 abajo a la derecha, está hecho por la unión de un material semiconductor de tipo N y otro de tipo P. Nos ocuparemos solo de los diodos de silicio. Hay diodos construidos de otros materiales tales como el germanio y el arseniato de galio, pero su forma de operar es esencialmente la misma.

Un diodo semiconductor es básicamente un interruptor controlado eléctricamente. Como ejemplo considere el diodo de silicio mostrado en la figura 1.1. La parte operacional del diodo  es una pieza especialmente tratada de silicio que tiene dos regiones un ánodo (región tipo P) y un cátodo (región tipo N).

El diodo actúa como una válvula de cheque, deja circular las cargas eléctricas en una dirección pero impide el paso en dirección contraria. La dirección de conducción es aquella cuando el ánodo es mas positivo que el cátodo y se sobrepasa el umbral de voltaje de alrededor de 0.7 voltios de esta forma se establece la corriente.

En la dirección inversa el cátodo es mas positivo que el ánodo es decir la corriente está tratando de circular en sentido contrario lo que no es permitido por el diodo. De manera que podemos resumir el diodo como una forma automática de interruptor, cuando la corriente está en el sentido de la conducción esta se permite, en sentido contrario se impide.

La permutación ocurre en respuesta a señales eléctricas (el voltaje a que está sometido el diodo) y ocurre a muy alta velocidad. El proceso de permitir el paso de la corriente en una dirección e impedirla en la otra se denomina rectificación. Algunos diodos pueden rectificar corrientes en el orden de los miles de millones de hertz, lo que significa miles de millones de ciclos por segundo.

La diferencia entre regiones P y N

Cuál es la diferencia entre las regiones del ánodo P y el cátodo N en el silicio. En principio el material básico para ambos es un chip hecho de un único cristal de silicio. Lo que significa que todos los átomos dentro del cristal están alineados en las mismas filas y capas a través de todo el cristal, sin embargo ciertas modificaciones se hacen al cristal de silicio en cada región. La región del ánodo tiene algunos átomos de aluminio mezclados con los de silicio. Debido a eso y por razones que veremos mas adelante, el material de ánodo es llamado silicio de tipo P. De la misma forma, la región del cátodo del cristal tiene algunos átomos de fósforo puestos por aquí y por allá, este tipo de material se llama silicio tipo N.

Enlaces covalentes del silicio

El silicio es un elemento químico; es decir, es uno de los elementos básicos que combinado puede formar otras sustancias. Las rocas y el suelo, probablemente contienen mas silicio que cualquier otro elemento. Un grano de arena es en principio un cristal de cuarzo constituido por silicio y oxígeno. El silicio puro se obtiene de la arena separándole el oxígeno. El silicio se usa para aparatos semiconductores por la forma especial en la que los electrones fluyen en los átomos de silicio dentro del cristal. Este flujo dependerá de como los átomos se conectan entre ellos.

Si echamos una mirada dentro de una pieza cristalina de silicio con un microscopio de enorme amplificación, podríamos ver los átomos de silicio colocados en filas y capas tal y como se muestra en la figura 1.3 cada átomo luciría como una bolita difusa conectada con un enlace también difuso a otros cuatro átomos vecinos. La parte de la bolita se llama núcleo del átomo, las extensiones que conectan los núcleos de diferentes átomos se llaman enlaces covalentes.

Esta organización particular de los átomos en el cristal se llama estructura cristalográfica. El mismo modelo puede representar cualquier cristal semiconductor; por ejemplo, germanio, silicio o carbono. Sí, carbono, en la forma de diamante, puede ser utilizado como material semiconductor para operar a temperaturas extremadamente altas.

En la figura 1.4 se muestra la forma usual de dibujar el diagrama de los átomos y enlaces covalentes en un cristal. Los círculos representan los átomos o núcleos atómicos, las lineas a los enlaces covalentes. Los átomos están colocados en un patrón de cuadros, con cada uno conectado a sus cuatro vecinos. En la explicación de como los electrones fluyen en el cristal hemos considerado que el cristal es una simple capa plana de átomos de silicio colocados en cuadros en lugar de un cuerpo tridimensional.

Los electrones de los átomos están por niveles

Para entender como los electrones fluyen dentro de un cristal semiconductor, primero veremos como funciona los enlaces covalentes. Esos enlaces son el resultado de la forma en que los electrones están alineados.

Un átomo está básicamente constituido por un pequeño núcleo cargado positivamente rodeados por una nube de electrones cargados negativamente. Los electrones en movimiento están mantenidos en órbitas alrededor del núcleo por fuerzas de atracción electrostáticas. El núcleo recibe su carga de los protones cargados positivamente. Cada elemento químico (hidrógeno, oxígeno, y silicio por ejemplo) tienen un número diferente de protones en su núcleo. En un átomo normal hay tantos electrones cargados negativamente como protones cargados positivamente, por lo que el átomo es neutro eléctricamente.

En los átomos los electrones no giran en órbitas al azar si no que siguen ciertas rutas. Estas rutas están determinadas por un grupo de reglas físicas llamadas mecanismos cuánticos.

Las órbitas de los electrones

Revisemos el plano general de las órbitas de los electrones. Aunque las órbitas de los electrones pueden ser ovaladas y en todas direcciones formando un cuerpo tridimensional, en la figura 1.5 se ha representado un átomo de hidrógeno suponiendo órbitas circulares.

La distancia al núcleo o radio de la órbita representa además la energía que el electrón tiene en esa órbita de manera que mientras mas grande es la distancia al núcleo mayor es su energía. Esto se debe a que el electrón tiene que recibir energía para vencer las fuerzas de atracción electrostática del núcleo y poder saltar a una órbita mas lejana.

En los átomos está establecido que los electrones solo pueden tener ciertas cantidades de energía. Como dependiendo de la energía del electrón este puede colocarse en una determinada órbita a cierta distancia alrededor del núcleo, se desprende entonces que solo existirán ciertas órbitas permitidas. Estas órbitas  se agrupan en capas separadas llamadas niveles y estos niveles a su vez en sub-niveles. En la figura 1.6 estos niveles se han representado como círculos sombreados separados.

Hay un espacio vacío entre los niveles, lo que significa que los electrones tienen que recibir cierta cantidad de energía para saltar de un nivel al otro mas alto.

niveles de energía
Figura 1.6

Los números representan  como los electrones se distribuyen en los niveles.
El primer nivel solo acepta 2 electrones el segundo 8 el tercero 18 y a partir del cuarto nivel 32.

La tabla que sigue muestra la distribución de los electrones en niveles y sub-niveles. Observe que los niveles se nombran con letras mayúsculas desde la K a la O, mientras que los sub-niveles con minúsculas s, p, d y f.
Nivel

K
L
M
N
O
Sub-nivel
s
2
2
2
2
2

p

6
6
6
6

d


10
10
10

f



14
14
Máxima cantidad
permitida por órbita

2
8
18
32
32
atomo de silicio
Figura 1.7

Mirando la figura 1.7 puede verse la representación del átomo de silicio. Note como los electrones se distribuyen en los niveles. El átomo de silicio tiene 14 protones y 14 electrones. El primero y segundo nivel está completos, y hay cuatro electrones en el último nivel. Estos electrones del último nivel se conocen como electrones de valencia y pueden ser compartidos con otros átomos para formar enlaces.


atomo de argón
Figura 1.8

Los átomos prefieren tener completos los niveles de valencia.

Bien, los átomos usan los electrones de valencia del nivel o sub-nivel de energía mas exterior para formar enlaces con otros átomos. Estos enlaces determinan si el material conducirá la corriente, y si lo hace, cómo.

Los enlaces también determinan el tipo de reacción química en las que el elemento participa.

La razón por la que los electrones mas externos forman enlaces es porque los átomos prefieren tener el nivel o sub-nivel mas externo completo de electrones. Los otros niveles hacia abajo, si los hay, estarán completamente llenos. Un átomo forma enlaces solo si el nivel o sub-nivel mas externo no está lleno con el número máximo de electrones permitidos. Y esto se debe a que cuando un nivel o sub-nivel está completo, sus electrones son especialmente retenidos por el núcleo. Lo que explica porqué, los elementos como el helio (número atómico 2), el neón (número atómico 10) y el argón (número atómico 18 mostrado en la figura 1.8) son elementos muy estables. Sus niveles mas externos están llenos y no tienen el menor interés en reaccionar con otros átomos.

Electrones de valencia y núcleo del átomo.

Miremos ahora a los átomos de cloro y de sodio de la figura 1.9. Hay un nombre especial para el nivel o sub-nivel mas externo de los átomos cuando este no está completo, se llama nivel de valencia del átomo. "Valencia" significa el número de enlaces que el átomo puede formar. Por lo tanto la valencia del átomo cristalino del silicio es cuatro, por lo que cada átomo forma cuatro enlaces. Como se ha mencionado antes, los electrones en el nivel de valencia se llaman electrones de valencia del átomo.

enlace ionico
Figura 1.9

El resto del átomo, consiste en niveles llenos y el núcleo, a todo ese conjunto empezaremos a llamarlo corazón de ahora en adelante. Recuerde que los niveles llenos con electrones y el núcleo verdadero mismo, no hacen nada en cuanto a enlaces, reacciones químicas, o corriente eléctrica, por lo que puede ser considerado aparte de los electrones de valencia. Este corazón tiene una carga positiva igual a la valencia.

Miremos nuevamente por ejemplo el átomo de sodio de la figura 1.9, su nivel mas externo tiene solo un electrón, como el nivel no está completo ese sería el nivel de valencia. El núcleo y los primero y segundo niveles llenos son el corazón del átomo. El corazón tiene una carga positiva +1, que es balanceada por la carga negativa del simple electrón de valencia.



El átomo de cloro por su parte tiene en el corazón  con una carga positiva +7  ya que tiene siete electrones en su nivel de valencia.

Cuando el nivel de valencia tiene pocos electrones comparados con la capacidad máxima del nivel, el átomo muy fácilmente cede los pocos electrones de ahí a fin de quedarse solo con los niveles llenos (los de abajo), en el caso contrario, cuando el átomo tiene el nivel de valencia con muchos electrones, lo que prefiere hacer es aceptar mas electrones de otro átomo para completarlo.

Así tenemos que el sodio con un solitario electrón en el último nivel tiene tendencia a cederlo con facilidad, mientras que el cloro que tiene 7 electrones en el último nivel estará mas interesado en recibir un electrón mas para completar el nivel.

Por esta razón el cloro y el sodio reaccionan químicamente de manera muy activa, el sodio cede el electrón del último nivel y el cloro lo acepta, de esta forma cada uno tiene los niveles completos y se ha formado el cloruro de sodio (sal común) una sustancia muy estable.

Este tipo de enlace, donde un átomo cede un electrón y el otro lo retiene se llama enlace iónico.

Eléctricamente lo que ha sucedido es que al tener un electrón de mas el átomo de cloro ha quedado cargado negativamente (mas electrones que protones), mientras que el sodio lo ha hecho positivamente (tiene un electrón de menos). Estas cargas eléctricas hacen que exista una fuerte atracción entre ambos átomos y el enlace sea muy fuerte.

El enlace covalente

Veamos ahora como el silicio forma enlaces covalentes. Observemos el átomo de silicio en la figura 1.10. Su nivel de valencia es el tercer (nivel M), el cual tiene cuatro electrones, pero desea cuatro mas. El corazón del átomo de silicio es el núcleo y el primero y segundo niveles llenos. El corazón tiene una carga +4, que es balanceada por los cuatro electrones del nivel de valencia.

atomo de silicio

Figura 1.10

Un átomo de de silicio forma enlaces covalentes porque este trata de conseguir cuatro electrones mas para completar el último sub-nivel (valencia) que lleva 8 electrones. Pero no lo hace tomando cuatro electrones de otro átomo como lo hace el cloro, en su lugar el átomo comparte sus electrones de valencia con otros cuatro átomos vecinos en el cristal de silicio.

En la figura 1.11 se muestra como esta compartición crea un enlace covalente entre dos átomos de silicio. Un enlace covalente es entonces en dos electrones de valencia orbitando alrededor de los corazones de dos átomos.
enlace silicio
Figura 1.11

Cada átomo provee uno de los electrones. Estos electrones ocupan dos de las ocho órbitas permitidas en el nivel de valencia de ambos átomos. De esta forma, un enlace covalente proporciona a cada átomo un electrón que desea para tratar de llenar el nivel de valencia. Pero ninguno de los átomos tiene carga, como en el caso del cloro y el sodio, debido a que ninguno de los átomos ha cedido un electrón. cada átomo conserva sus propios cuatro electrones de valencia, no menos ni mas.

Los dos electrones orbitantes mantienen  los dos corazones unidos. De todas formas la repulsión electrostática de los dos corazones cargados positivamente los mantiene separados.

Como el átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia y espacio para cuatro mas, puede formar enlaces covalentes con cuatro átomos vecinos para formar el cristal. La figura 1.12 muestra como el átomo puede formar los enlaces con los cuatro vecinos para formar el cristal. En este caso las ocho capacidades permitidas en el nivel de valencia estarán ocupadas por electrones, formando  como ya se ha explicado una sustancia muy estable al quedar fuertemente sujetos en sus órbitas.
covalente
Figura 1.12

Quitando el equilibrio al cristal

Volvamos  al silicio tipo N y tipo P que mencionamos al principio. Para que un material sea conductor de la electricidad debe contener una gran cantidad de electrones dispuestos para saltar de un átomo a otro. Los electrones móviles se denominan portadores de corriente. Pero en un cristal de silicio puro a baja temperatura los electrones están fuertemente sujetos en sus órbitas, por lo que el silicio puro al igual que cualquier otro material semiconductor es un aislador de la corriente, lo que lo hace inútil como material para los dispositivos electrónicos.

Aquí es donde el aluminio y el fósforo entran en juego, como se ha mencionado antes. La acción de agregar una pequeña cantidad de estos elementos al silicio se le llama dopaje.

Silicio tipo N

Primero veamos que sucede cuando dopamos una pieza de silicio con fósforo para producir sílice de tipo N.
fosforo
Figura 1.13


Como se muestra en la figura 1.13, un átomo de fósforo tiene 15 electrones y 15 protones, uno mas que el silicio, por lo que la valencia de fósforo es cinco en lugar de cuatro. El nivel de valencia necesita tres electrones para estar completo.

Si observamos ahora la figura 1.14 cada átomo de fósforo toma un lugar en el cristal, rodeado por cuatro átomos de silicio formando enlaces covalentes entre si.

Los átomos de silicio que rodean al de fósforo lo obligan a formar cuatro en laces  covalentes por lo que este está obligado a compartir cuatro de sus cinco electrones de valencia. No hay cabida para el quinto electrón de valencia del fósforo, su nivel de valencia está completo, tiene sus cuatro electrones propios mas los cuatro electrones compartidos con los átomos de silicio. El quinto electrón es literalmente expulsado del nivel de valencia y se convierte en un "electrón libre". Este electrón no está muy sujeto por el corazón del átomo y por tal motivo se convierte en el electrón capaz de ser portador de corriente. Este electrón libre se parece más al electrón solitario del sodio tratado con anterioridad.
esquema
Figura 1.14

De esta forma cada átomo de fósforo, contribuye a que el cristal sea conductor de la corriente y todos los átomos se sienten satisfechos porque tienen completos sus niveles de valencia al hacer los cuatro enlaces covalentes.

Como se muestra en la figura 1.15, cuando un campo eléctrico se aplica a un cristal tipo N, los electrones libres fluyen en la dirección en la que los empuja el campo eléctrico. Por lo tanto los electrones libres actúan como cargas negativas que pueden transportar corriente.

A medida que se agrega mas átomos de fósforo a una pieza de silicio, mas electrones libres hay, y menor será la resistencia eléctrica del silicio. Pero el silicio usado como semiconductor nunca nunca se dopa mucho a fin de que su resistencia no sea como la de un metal, por ejemplo cobre.
esquema

Figura 1.15

Ya sabemos porqué cuando el silicio se dopa con fósforo se llama silicio tipo N.  La "N" se debe a la carga negativa de los electrones libres que sirve para transportar corriente. Note que esto no significa que el cristal tipo N esté cargado negativamente, es normalmente neutro porque tiene la misma cantidad de protones en el núcleo que electrones en sus órbitas.

Un átomo de aluminio causa un "hueco" en los electrones de valencia.

Ahora veamos que sucede cuando se dopa una pieza de silicio con aluminio en lugar de fósforo. Recuerde que esto hace silicio tipo P.

Silicio tipo P

esquama del aluminio
Figura 1.16

Como se muestra en la figura 1.16 un átomo de aluminio solo tiene 13 protones y 13 electrones, uno menos que el silicio, por lo que el átomo de aluminio tiene solo tres electrones en su nivel de valencia.

Como el átomo de fósforo, el átomo de aluminio toma el lugar de un de silicio dentro del cristal, rodeado por cuatro átomos de silicio que ofrecen electrones para compartir, el átomo de aluminio desesperadamente quiere formar cuatro enlaces covalentes para llenar su nivel de valencia.

Sin embargo, el átomo de aluminio solo tiene tres electrones de valencia para compartir, por lo que solo puede hacer tres enlaces, con tres de sus vecinos.

Después de formados esos tres enlaces, el aluminio se parece al cloro que hemos visto antes, necesita solo un electrón mas para estar capacitado a formar el cuarto enlace, lo que a su vez le permite terminar de completar las ocho órbitas disponibles en su nivel de valencia. El átomo de aluminio fácilmente extrae un electrón desde el nivel de valencia del átomo de silicio mas próximo.
hueco
Figura 1.17

Podemos pensar que esto sucede como una permutación del enlace covalente mostrados en las tomas instantáneas de la figura 1.17.

En la primera toma (Toma 1), el átomo de aluminio (Átomo A) tiene solo los tres enlaces covalentes que puede formar originalmente. En la segunda toma un instante después, un enlace entre los Átomos B y C ha permutado a la izquierda, entre los Átomos B y A. Este proceso del salto del enlace se produce todo el tiempo al azar entre el átomo de aluminio y los átomos de silicio vecinos.

En la toma 2 de la figura 1.17, el átomo B ha perdido un electrón negativo así como uno de sus cuatro enlaces, por lo que tiene carga positiva. El enlace perdido, con una carga positiva se le llama  un hueco en la estructura cristalina del cristal. Al mismo tiempo, el átomo de aluminio (A) ha adquirido carga negativa debido al electrón extra que ha deseado para formar el cuarto enlace covalente.

Lo importante de este asunto del hueco es que puede viajar alrededor de todo el cristal y que cuando el hueco salta en una dirección el electrón de valencia lo hace en sentido contrario, lo que significa que cuando un electrón se mueve para formar un enlace covalente produce un enlace perdido (hueco) en otro lugar. Si los electrones se mueven en una dirección los huecos lo hacen en sentido contrario. Observe que en la figura 1.17 cuando el enlace salta a unir los átomos A y B, el hueco se traslada al espacio entre B y C.

Los huecos (enlaces perdidos) proveen la vía para que los electrones de valencia puedan fluir y establecer una corriente, pero al mismo tiempo actúan como portadores de carga positiva, por esto el material dopado se conoce como silicio tipo P. La "P" viene de la carga positiva de los huecos que sirven como transportadores de corriente.
 
Cuando un campo eléctrico mueve los electrones de valencia a la izquierda como se muestra en las secuencias de las tomas 1 y 2, los huecos se mueven a la derecha, por eso se considera como si estos huecos fueran objetos que transportan carga positiva.

Cada átomo de aluminio en una pieza de silicio gana un enlace covalente con la consecuente carga negativa que lo acompaña y contribuye con un hueco con algún átomo de silicio vecino.

Mientras mas átomos de aluminio la pieza de silicio tiene, mas fácilmente transporta corriente. Como en el caso del silicio tipo N, mientras mas dopaje, menos resistencia eléctrica. Al igual que en el silicio tipo N, el silicio tipo P es neutro, ya que tiene la misma cantidad de protones que de electrones.
esquema

Figura 1.18


La figura 1.18 muestra como los huecos conducen la corriente a través de una pieza de silicio tipo P. Es similar a la figura 1.15 para el silicio tipo N. La pieza se somete a un campo eléctrico por la conexión de una diferencia de voltaje en sus extremos. los millones de huecos en el cristal dopado corren en la dirección opuesta al flujos de electrones en los cables.

Como un electrón de valencia sale al cable en un extremo, un nuevo hueco se produce allí. Y como los huecos llagan al otro cable, los electrones que llagan llenan los huecos en el otro extremo. Los huecos positivos se crean en un extremo exactamente a la misma velocidad conque se llenan en el otro extremo, por lo que el total de huecos permanece constante y el cristal en neutro en carga eléctrica.

Combinando materiales N y P en una unión

recombinacion
Figura 1.19

La figura 1.19 muestra la unión N-P donde los dos tipos de materiales semiconductores están unidos. Recuerde que los semiconductores de tipo N  tiene átomos de fósforo con un electrón libre que son los portadores de corriente. Cuando el electrón libre abandona el átomo, este adquiere una carga positiva. Para los semiconductores de tipo P, los átomos de aluminio tiene un enlace perdido (un hueco). Cuando un electrón llana el hueco, el átomo adquiere carga negativa.

Cuando se forma la unión, y no se aplica voltaje, en la zona de la unión los electrones libres de los átomos de fósforo se combinan con los huecos de los átomos de aluminio. Esto se llama recombinación. los átomos en cada lado de la unión no pueden moverse ya que están fijos en el cristal, de manera que forman una barrera de potencial a cada lado de la unión - un potencial positivo en el lado del tipo N y un potencial negativo en el toro lado tipo P.Como la recombinación continua, la región con potenciales se expande. Esta región se llama zona de vaciado, debido a que todos los electrones libres y huecos se combinan y la zona queda vacía de portadores de carga.
vaciado
Figura 1.20

Como se muestra en la figura 1.20 la barrera de potencial negativo resultante hace que ningún electrón pueda entra a la zona de vaciado desde el semiconductor tipo N. y la barrera de potencial positivo evita que algún hueco pueda entra a la zona de vaciado desde el semiconductor tipo P. El resultado es una zona de vaciado estable y ningún movimiento de portadores de carga.

Voltaje a favor junta huecos y electrones

Gradualmente apliquemos voltaje a favor de la conducción al diodo que se muestra en la figura 1.21, es decir vayamos haciendo el cátodo (región N) mas y mas negativo en voltaje con respecto al ánodo (región P). El campo eléctrico hace que los electrones negativos del cátodo tipo N y los huecos del ánodo tipo P drenen hacia la unión.
esquema

Figura 1.21

Primero, tenemos electrones libres y huecos colocados a cada lado de la zona de vaciado.Pero como el voltaje ha ido subiendo, este llega a sobrepasar la barrera de potencial de la zona de vaciado. Esto es cuando el voltaje crece, la zona de vaciado va haciéndose mas y mas fina, pero aun no hay corriente. la zona de vaciado es como un aislador entre las regiones del cátodo y el ánodo, porque ningún portador de carga puede atravesarla hasta que no se haya superado el potencial de la barrera.

Finalmente, cundo la diferencia de voltaje  llega a alrededor de 0.7 voltios el ancho de la zona de vaciado se hace cero y desaparece. No hay nada ahora que impida que los electrones libres y huecos llaguen a la unión y se recombinen, y lo hacen de manera muy feliz por lo que se establece una corriente eléctrica a través del diodo. Pequeños cambios en el voltaje causan grandes incrementos en la corriente.

Este voltaje de alrededor de 0.7 voltios se llama voltaje de umbral del diodo de unión P-N de silicio. El voltaje de umbral es el mismo para todos los diodos de silicio de ese tipo y está determinado por la cantidad de energía que es necesaria para elevar un electrón de valencia al nivel de conducción.

El voltaje en contra separa los electrones libres y huecos

encontra

Figura 1.22

Ahora consideremos lo que sucede en la unión P-N cuando se aplica un voltaje en contra al diodo como se muestra en la figura 1.22. En la región P, los huecos se mueven hacia el ánodo lejos de la unión; en la región N, los electrones libres se mueven hacia el cátodo lejos de la unión. Como resultado la zona de vaciado se hace mas gruesa en vez de mas fina, por lo que se mantiene como aislador. No hay manera para que grandes cantidades de electrones fluyan a través de la zona de vaciado, debido a que no hay portadores allí.

Esta es la forma por la que un diodo funciona como una válvula de cheque, abriendo el circuito cuando el voltaje se aplica en sentido contrario a la conducción.

Todos los dispositivos semiconductores funcionan de esta manera, es decir por la generación y uso de electrones libres y huecos al dopar cristales puros de sustancias semi conductoras.

Transistores bipolares NPN.

simbolo
Figura 1.23


Primeros hablemos de como están construidos los transistores bipolares típicos del tipo NPN. Usemos la figura 1.23 a la izquierda, aquí se representa el símbolo esquemático de uno de estos transistores.

En ella se sugiere que el transistor tiene una barra segmentada en tres regiones tal y como se representa en la figura 1.24 abajo.

Esta forma es en realidad la forma en la que fueron fabricados los primeros transistores en el 1948. La barra fue un mismo cristal de semiconductor dopado de manera diferente en las
tres regiones desde el estado líquido.

Este transistor original no fue hecho de silicio sino de un elemento parecido llamado germanio, mucho mas fácil de trabajar con él. Las tres conexiones del transistor se llaman emisor, colector y base.

NPN
 Figura 1.24

seccion
Figura 1.25

La estructura mas moderna se muestra en la figura 1.25. Aquí el dopaje se hace por difusión de los materiales dentro del cristal para modificar la zona seleccionada en los materiales tipos P o N. Las áreas a ser modificadas se seleccionan por técnicas de fotografía en etapas por lo que las operaciones se realizan en la secuencia apropiada. La difusión se hace en hornos especiales.

En un transistor tipo NPN, las regiones del emisor y del colector del cristal son del tipo de material N lo mismo que el ánodo del la unión del diodo. Y la zona del medio, la base es el mismo material P de la unión del diodo.
construcción
Figura 1.26

El montaje típico de un transistor en un paquete se muestra en la figura 1.26 para el tipo de transistor utilizado como amplificador de potencia y de alta corriente.

Como funciona un trasistor NPN.

Para entender como  funciona un transistor, veamos la figura 1.27. En el circuito, la fuente de potencia o fuente de electrones es un juego de pilas que suministran tres voltios. Note que el emisor del transistor está a -3 voltios. Una de las terminales del bombillo y una de la pila están a tierra o 0 (cero) voltios.

El voltaje negativo en el emisor le suministra electrones y estos fluyen a través del transistor, la lámpara y a tierra, que es el otro lado de la pila. El transistor controla la corriente a la lámpara, en proporción a la pequeña corriente que se suministra a la base. Esta pequeña corriente es controlada a su vez con la resistencia variable (potenciómetro) R2. R1 se pone en el circuito para limitar el voltaje positivo máximo a la base con respecto al emisor. El voltaje de la base no podrá ser mas positivo que -2 voltios.

Ambas uniones P-N conectadas a voltaje invertido.

circuito
Figura 1.27

Comencemos el experimento imaginario rodando el cursor del potenciómetro hasta el extremo de -3 voltios. Esto mantiene la base al mismo potencial que el emisor.
 
El transistor se puede representar como dos uniones P-N en un chip como si fueran dos diodos colocados de manera opuesta, por lo que si la base está a -3 voltios, la unión P-N colector-base está conectada con el voltaje en contra a la conducción, mientras que la unión emisor-base está en corto circuito (conectadas al mismo cable) por lo que no hay voltaje alguno actuando en la unión y electrones libres y huecos se mantienen aparte en la zona de vaciado. No hay corriente a través de ninguna de las uniones, por lo tanto tampoco la hay entre emisor y colector. El resultado es que el transistor en esta forma actua como un interruptor desconectado.

Conectando la unión base-emisor a voltaje a favor.

Gradualmente vayamos rodando el cursor del potenciómetro alejándolo del extremo de -3 voltios. Esto hace que la base se vaya haciendo menos y menos negativa, por lo que esta se va tornando positiva con respecto al emisor. El incremento de voltaje relativo a favor va reduciendo el ancho de la zona de vaciado mas y mas hasta que a unos 0.6 voltios este ancho está a punto de desvanecerse. Pero en la construcción del transistor tenemos algo mas que un par de diodos. La región P de la base es sumamente fina y está dopada mucho menos que el emisor, por lo que los huecos escasean en la región de la base.

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