Electrónica y Semiconductores Importancia Materia de vanguardia Constantes cambios y avances Miniaturización La electrónica es la responsable del avance tecnológico humano de los últimos tiempos 1
Historia Antes bulbos de vacío (1920) 1930, Transmisiones de radio Descubrimiento (Invención) del transistor por John Bardeen, Walter Brattain, Williams Shockley en 1948 1950, Televisor Ganadores del Nobel (Bardeen, Brattain y Shockley) en 1956 Historia 1960, 70% de las aplicaciones implementadas en bulbos de vacío habían sido reemplazadas por transistores El transistor permitió que los diseños fueran más pequeños, de menor consumo de potencia, robustos. 1961 Tiristor GTO 1964 Triac 1970, Transistor BJT, 500V, 20A 2
Historia 1971, Intel libera el procesador 4004 con 2300 transistores, 10u, 108kHz Surge el procesador Z80 (Zilog) como uno de sus más cercanos competidores Se consolida la electrónica como factor de avance tecnológico 1976 BJT, 400v, 400A Mosfet de Potencia Historia 1982, Aparece la familia x86 de Intel, 80286 con 134,000 transistores, 6 MHz, tecnología 1.5u 1985 IGT (Transistor de Compuerta Aislada) 1987 MCT (Tiristor Controlado por MOS) 1990 Telefonía Celular 1993, Pentium, 3,100,000 transistores, 0.8u, 60MHz 3
Historia 1999, Primeros Micromachines (MSM), dispositivos híbridos capaces de integrar mecanismos, óptica y electrónica. 2001, Pentium IV, 2.0 GHz, >30x10^6 transistores, 0.15u Televisores de Pantalla plana Pantallas de Plasma Tendencias Dispositivos ópticoelectrónicos Mayor integración Dispositivos de mayor potencia y mayor ancho de banda Mayor Amplificación 4
Historia Generación de Energía Limpia Vehículos Eléctricos Robots Domésticos Superconductores muladores Computacionales PSpice Desarrollado en Stanford El uso de simuladores permite observar el comportamiento de los circuitos con variaciones teóricas en sus parámetros Son necesarios porque permiten confirmar la exactitud de los cálculos sin necesidad de tener circuitos de prueba Útiles en circunstancias peligrosas, análisis del peor caso, análisis térmico. Un simulador permite observar características en períodos de tiempo pequeños (análisis transitorio) 5
Desventajas Exactitud del modelo En un simulador no se queman los circuitos Capacidad o incapacidad de interpretación de resultados por parte del que lleva a cabo la simulación Materiales Conductores Cualquier material que soporte un flujo de carga, cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales. Los conductores fácilmente conducen la corriente eléctrica. Los mejores conductores son materiales de un solo elemento tales como, cobre, plata, oro, y aluminio. Se caracterizan por tener átomos con solo un electrón de valencia pobremente unido. Estos electrones fácilmente pierden esta unión y se vuelven electrones libres Un material conductor tiene muchos electrones libres, que cuando se mueven en una sola dirección hacen la corriente eléctrica 6
Materiales Aislantes Un material que ofrece un nivel muy bajo de conductividad bajo la presión de una fuente de voltaje aplicada. Los mejores materiales aislantes se fabrican de materiales compuestos. En los aislantes, los electrones de valencia están fuertemente unidos a los átomos; existen muy pocos electrones libres en un material aislante Materiales Semiconductores Un material que posee un nivel de conductividad sobre algún punto entre los extremos de un aislante y un conductor, es decir permite el flujo de carga bajo ciertas condiciones de operación, y se comporta como un aislante si no se aplica la cantidad de corriente o voltaje necesaria para conducir Los materiales semiconductores de un solo elemento más comunes son: silicio, germanio y carbón. Uno de los materiales semiconductores compuestos más comunes es el arseniuro de galio 7
Valores típicos de resistividad Conductor 10 6 Ωcm (Cobre) Semiconductor 50 Ωcm (Germanio) Aislante 10 12 Ωcm (Mica) Modelo de Bhor Estructura Atómica del licio Electrones de Valencia Orbitas Núcleo + 8
Niveles o Bandas de Energía En la estructura atómica existen niveles de energía discretos asociados con cada electrón en una órbita, cada material tendrá su propio conjunto de niveles de energía permisibles para los electrones en su estructura atómica. Entre mas lejos se encuentre un electrón del núcleo atómico mayor será la cantidad de energía que posea Unión Covalente Átomo de Electrones Compartidos Electrones de Valencia Cuando elementos extremadamente puros, como el silicio o el germanio, se enfrían después de haber estado en forma líquida, sus átomos se acomodan en patrones ordenados llamados cristales. Los electrones de valencia determinan la forma exacta de la estructura del cristal resultante 9
Modelo del átomo de licio Molécula de licio 10
Molécula de licio Modelo del átomo del Germanio 11
Molécula del Germanio Los átomos se unen en una estructura de manera que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia formando enlaces covalentes (a la unión de átomos reforzado por electrones compartidos se le llama enlace covalente) Aunque los electrones de valencia están unidos firmemente a la estructura, es posible que esos electrones rompan sus enlaces y sean capaces de moverse como electrones de conducción (también llamados electrones libres), esto sucede si es aplicada una cantidad suficiente de energía externa El término libre manifiesta que su movimiento será muy sensible a la aplicación de campos eléctricos como los que se generan por fuentes de voltaje 12
Niveles de Energía Como hemos visto, en la estructura atómica aislada existen niveles discretos de energía asociados con cada electrón que orbita. Cada material tiene su propio conjunto permitido de niveles de energía IONIZACIÓN: Es el mecanismo por medio del cual un electrón puede absorber energía suficiente para escapar de la estructura atómica e ingresar a la banda de conducción Niveles de Energía Mientras más distante se encuentre el electrón del núcleo, mayor es el estado de energía, y cualquier electrón que haya dejado a su átomo, tiene un estado de energía mayor que cualquier electrón en la estructura atómica Núcleo + Electrones de Valencia Orbitas Existe un rango o una banda de posibles niveles de energía para los electrones de valencia, asimismo existe un rango o banda de niveles de energía para los electrones de conducción 13
Niveles de Energía Aislante Banda de conducción Electrones libres para establecer la conducción GAP Eg> 5eV Banda de Valencia Electrones libres unidos a la estructura atómica Niveles de Energía Conductor Banda de conducción Las bandas se traslapan Banda de Valencia 14
Niveles de Energía Semiconductor Banda de conducción GAP Banda de Valencia Electrones libres para establecer la conducción }Eg= 1.1eV () Eg= 0.67eV (Ge) Eg= 1.41eV (GaAs) Electrones libres unidos a la estructura atómica Electrones y Huecos Hueco es el espacio vacío que deja un electrón cuando es excitado Aumento de Temperatura Banda de conducción GAP Banda de Valencia Electrones libres para establecer la conducción Eg> 0.7 ev () Electrones libres unidos a la estructura atómica 15
Efecto de la Temperatura en Semiconductores A =0 K, todos los electrones están unidos a sus enlaces covalentes, no existen electrones libres ni se puede establecer la conducción, el material se comporta como un aislante A temperatura ambiente, algunos enlaces covalentes se rompen como resultado de la vibración térmica Algunos electrones se desprenden de los enlaces favoreciendo la conducción Dinámica de la conducción Banda de conducción GAP Banda de Valencia 16
Conducción en Materiales Semiconductores Los electrones en los átomos de silicio y germanio están unidos firmemente en la estructura cristalina formando enlaces, estos enlaces no se pueden romper sin recibir energía externa El enlace reticular es eléctricamente neutro Cuando un enlace se mueve, un electrón se mueve libremente a través de la estructura, el enlace permanece cargado positivamente, e intenta balancear la carga capturando un electrón. Vemos entonces que hay dos grupos independientes de portadores de carga, electrones de conducción y huecos Los huecos tiene propiedades similares a las de un electrón libre Corrientes La agitación térmica produce un movimiento aleatorio de electrones en un semiconductor. Este fenómeno no produce ningún flujo neto de carga. A temperatura diferente de cero, los átomos en la estructura cristalina poseen energía cinética, y hay un intercambio continuo de electrones y huecos n embargo, si algún mecanismo provoca una concentración más alta en un extremo del semiconductor creando de este modo un gradiente, los electrones se difunden hacia el otro extremo, originando un flujo de carga neto conocido como corriente de difusión. Cuando se aplica un campo eléctrico se produce otro movimiento y los huecos y electrones libres son acelerados, este movimiento se conoce como corriente de arrastre. 17
Semiconductores Intrínsecos Son materiales en los cuales hay una banda en la cual no hay electrones. Los electrones de valencia no se pueden mover libremente a través del material, sino que participan en enlaces covalentes manteniendo la estructura En un material intrínseco el número de huecos es igual al número de electrones, el proceso de generación crea al mismo tiempo un par electrónhueco Los semiconductores instrínsecos NO son buenos conductores de electricidad. Materiales Semiconductores III B Al Ga IV C Ge V P As 18
Concentración de portadores intrínsecos ni = BT 3/ 2 e E g 2kT B es una constante relacionada con el material Eg es el nivel de energía del gap (ev) T es la temperatura (K) k es la constante de Boltzmann (86x10 6 ev/k) Constantes en semiconductores Material licio () Arseniuro de Galio (GaAs) Germanio (Ge) E g (ev) 1.1 1.41 0.67 B(cm 3 K 3/2 ) 5.23x10 15 2.10x10 14 1.66x10 15 19
Semiconductores Extrínsecos Las corriente inducidas en los semiconductores puros son relativamente pequeñas La conductividad en un semiconductor puede ser incrementada, si se introducen impurezas en el material Dopado Cuando una impureza donante se agrega a un semiconductor aportando huecos o electrones libres sin que el átomo aportado pueda moverse La impureza puede aportar o huecos (impureza donadora), o electrones (impureza aceptadora) 20
Material Tipo n la sustancia dopante tiene exceso de electrones libres, entonces se le llama donador y el semiconductor dopado será de tipo n Los portadores mayoritarios serán electrones y los portadores minoritarios serán huecos 4 Material tipo n 4 4 Electrón Libre 4 P 4 Fosforo! 4 4 4 21
Material Tipo n El licio es dopado con Fósforo, Arsénico, Bismuto o Antimonio Esos materiales fueron escogidos tomando en cuenta que sus átomos no causan problemas en la estructura cristalina Se crea un electrón libre a temperatura ambiente El silicio dopado con un material tipo n necesita solo 0.05eV para perder un electrón de valencia Material Tipo p la sustancia tiene exceso de huecos entonces se le conoce como aceptador y será un semiconductor tipo p Los portadores mayoritarios serán huecos y los portadores minoritarios serán electrones 22
4 Material Tipo p 4 4 Enlace faltante o hueco libre 4 3 4 Boro! 4 4 4 Material Tipo p Las impurezas en un aceptor tienen tres electrones de valencia Para formar un material tipo p se agregan átomos de Boro, Indio y Galio Como le hace falta un electrón de valencia entonces deja un hueco vacante en la estructura El hueco se mueve libremente y crea una carga positiva móvil La carga negativa esta fija en la estructura imposibilitada para moverse 23
Equilibrio térmico n p = o o n 2 i n o concentración en equilibrio térmico de electrones libres p o concentración en equilibrio térmico de huecos libres n i concentración intrínseca de portadores A temperatura ambiente (300K), cada átomo donador aporta un electrón libre al semiconductor. la concentración N d es más grande que la concentración intrínseca, entonces podemos aproximar la expresión a: no N d Entonces la concentración de huecos: p o = 2 i n N d 24
milarmente, a temperatura ambiente, cada átomo aceptador adquiere un electrón de valencia, creando un hueco. la concentración de aceptores Na es mucho más grande que la concentración intrínseca entonces, podemos aproximar a: po N a Entonces la concentración de electrones: n o = 2 i n N a Corriente de arrastre La corriente de arrastre es causada por campos eléctricos. Se asume que un campo eléctrico E, aplicado en una dirección produce una fuerza en los electrones, en dirección opuesta, los electrones adquirirán una velocidad de arrastre vdn (en cm/s) 25
v dn Corriente de Arrastre Material tipo n E e J n La densidad total de corriente de arrastre: J = enµ + epµ = σe n h Material tipo p E p v dp J n Corriente de Difusión Las partículas fluyen de una región de mayor concentración a una región de menor concentración. Estadísticamente en cualquier instante en particular, la mitad de las partículas de la región de mayor concentración se moverán hacia el lado de menor concentración Las partículas concentradas en la región de menor concentración, también se moverán a la región de mayor concentración 26
Corriente de Difusión La concentración de portadores está en función de la distancia. n + + + + + + + El resultado es un flujo neto de partículas desde la región de alta concentración hacia la región de baja concentración x Exceso de Portadores Los electrones de valencia pueden adquirir suficiente energía para romper el enlace covalente y convertirse en electrones libres. Cuando esto ocurre, se producen huecos y electrones generando pares electrónhueco. Entonces se produces exceso de huecos y exceso de electrones. 27
Exceso de Portadores La creación del exceso de electrones y huecos no continua indefinidamente, esto es debido a que el electrón en exceso puede recombinarse con un hueco, en un proceso llamado recombinación electrón hueco. Tanto el hueco como el electrón desaparecen hasta alcanzar un estado estable Exceso de electrones n = no + δn Exceso de electrones p = po + δp n o y p o son las concentraciones de huecos y electrones en equilibrio térmico, δ n y δ p representan las concentraciones en exceso de electrones y huecos 28