Conceptos Fundamentales de Semiconductores y Dispositivos Electrónicos

1. Separación entre Banda de Valencia y Banda de Conducción

• Aislante: Separación mayor a 6 eV.
• Semiconductor: Separación mayor a 0.1 eV, pero menor a 6 eV.
• Conductor: No hay separación entre la banda de valencia y la de conducción.

2. Energía de Fermi: Definición y Utilidad

La energía de Fermi es la energía del nivel más alto ocupado por un sistema cuántico a temperatura cero. Nos sirve para determinar qué tan conductor puede ser un material según su composición química.

3. Energía de Salto en Silicio y Germanio

La energía de salto requerida por un electrón para atravesar la banda prohibida es de 1.11 eV para el silicio y 0.66 eV para el germanio.

4. Requisitos para el Dopaje Controlado

Se necesita un material semiconductor extremadamente puro y cristalino.

5. Recombinación y Generación: Teoría de Bandas

• Generación: Transición del electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, por inyección de energía al electrón de valencia de un átomo.
• Recombinación: Transición del electrón de la banda de conducción a la banda de valencia y consecuente liberación de energía del electrón.

6. Bandas Intermedias de Energía: Causas y Efectos

La presencia de átomos especiales de impurezas dentro de los materiales semiconductores y los defectos en la red cristalina favorecen las transiciones electrónicas entre la banda de valencia y la banda de conducción.

7. Métodos para Crear Desequilibrio en Semiconductores

• Cambio de temperatura.
• Dopaje del material.
• Fotogeneración.
• Sometimiento a un campo eléctrico.
• Sometimiento a un campo magnético.

8. Contacto entre Metales con Distintas Funciones de Trabajo

Se origina una corriente que transfiere electrones del metal de menor función al metal de mayor función.

9. Duración del Flujo de Electrones en el Contacto Metal-Metal

El flujo termina cuando los niveles de Fermi de ambos metales se equilibran.

10. Contacto Óhmico: Definición

Es una unión de baja resistencia que provee conducción en ambas direcciones entre el metal y el semiconductor. Idealmente, la corriente a través del contacto óhmico es una función lineal del potencial aplicado, que podrá ser muy pequeño.

11. Utilidad del Contacto Óhmico

Proporcionan la interconexión de cualquier circuito integrado con el exterior.

12. Efecto Túnel: Descripción

En equilibrio térmico, la cantidad de electrones que pasan por efecto túnel del metal hacia el semiconductor es la misma que la que pasan desde el semiconductor hacia el metal. Si la barrera es muy estrecha y el metal se polariza más negativamente respecto al semiconductor, los electrones en el metal pueden formar un túnel a través de la barrera y pasar hacia los estados de la banda de conducción del semiconductor.

13. Diferencia entre Contacto Óhmico y Rectificante

• Contacto óhmico: Transfiere corriente en ambos sentidos.
• Contacto rectificante: Solo transfiere corriente del semiconductor al material conductor.

(Se debería incluir una gráfica característica de ambos)

14. Diferencia entre Diodo Schottky y Diodo PN

Un diodo Schottky tiene una conmutación típica de 1 ps con un voltaje de polarización de 0.2 V a 0.3 V, mientras que un diodo PN es de 1 ns con una polarización de 0.7 V.

(Se debería incluir una gráfica característica de ambos)

15. Fabricación de la Unión PN

Cuando un semiconductor extrínseco tipo P se crece epitaxialmente en colindancia con un semiconductor tipo N, la unión debe darse a una temperatura a la que no haya difusión de un material sobre otro y que no exista una separación entre ambos.

16. Dispositivos Basados en la Unión PN

Transistores, tiristores, microcontroladores, microprocesadores.

17. Recombinación por Trampas o Shockley-Read

El electrón es capturado por un nivel localizado (trampa), quedando en un estado metaestable y cediendo el exceso de energía a la red, a través de la interacción entre ésta y el estado localizado. Dicho nivel puede capturar un hueco de la banda de valencia, completándose así la recombinación.

18. Recombinación Auger

La energía entregada por un electrón que se recombina es absorbida por otro electrón en la banda de conducción y este es expulsado de la superficie del material con una energía característica (interacción entre tres partículas).

19. Capacitancia de Deserción en una Unión PN

Al haber una región de deserción, los iones positivos se concentran de un lado de la unión PN y los negativos del otro, generando una diferencia de potencial justamente igual que un capacitor, cuya capacitancia puede ser calculada.

20. Aplicaciones de los Varactores

Los varactores son diodos especialmente diseñados para trabajar como capacitores variables. La juntura se polariza inversamente, así la corriente de fuga es pequeña y la capacidad puede controlarse por la tensión inversa.

21. Ecuación del Diodo

Donde:

• I: Es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo.
• I_s: Es la corriente de saturación.
• n: Es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).
• V_D: Es la diferencia de tensión entre los extremos del diodo.
• V_T: El voltaje térmico V_T es aproximadamente 25.85 mV en 300 K, una temperatura cercana a la temperatura ambiente, muy usada en los programas de simulación de circuitos.

22. Principales Limitaciones de la Ecuación del Diodo

• Cuando hay pequeñas fallas en la unión metalúrgica del diodo, la gráfica voltaje-corriente no corresponde con el modelo matemático.
• El coeficiente de emisión no se encuentra ajustado a todos los tipos de materiales semiconductores.
• La ecuación no se ajusta en la región Zener o de ruptura.

23. Polarización Inversa del Diodo

Si se le aplica un voltaje negativo al ánodo respecto del cátodo, el exponente de la ecuación del diodo será negativo, lo que producirá un resultado de una corriente del orden de los nanoamperios, por lo que el diodo trabajará en la región de saturación en fuga inversa.

24. Polarización Directa del Diodo

Cuando se le aplica un voltaje positivo al ánodo respecto del cátodo, dicho voltaje se le conoce como voltaje de forward. Pueden darse dos casos:

1. Región de bloqueo en directo: Cuando el voltaje es muy pequeño y produce una corriente no significativa del orden de los nanoamperios.
2. Región de conducción: Cuando el voltaje ya no es tan pequeño y produce una corriente significativa.

25. Tipos de Ruptura de Unión

• Ruptura de multiplicación por avalancha.
• Ruptura por efecto túnel o Zener.

26. Aplicación del Efecto de Ruptura en Electrónica

La tensión de ruptura V_r es casi independiente de la temperatura y muy estable. Esta última propiedad es aplicada por determinados diodos (llamados diodos Zener) para conseguir referencias de tensión muy estables.

27. Dopaje de las Partes del Transistor

• Emisor: Capa de tamaño medio diseñada para emitir o inyectar electrones, está bastante dopado.
• Base: Con un dopaje ligero, es una capa delgada diseñada para pasar electrones.
• Colector: Capa grande diseñada para colectar electrones, tiene un dopaje medio.

28. Estructura de un Transistor BJT

Un transistor de unión bipolar consiste en tres regiones semiconductoras dopadas: la región del emisor, la región de la base y la región del colector. Estas regiones son, respectivamente, tipo P, tipo N y tipo P en un PNP, y tipo N, tipo P, y tipo N en un transistor NPN. Cada región del semiconductor está conectada a un terminal, denominado emisor (E), base (B) o colector (C), según corresponda.

29. Transistor de Unión Bipolar: Definición

Es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales.

30. Estructura MOS y Bit de Memoria

Es un dispositivo electrónico formado por un sustrato de silicio dopado, sobre el cual se hace crecer una capa de óxido. Los elementos se contactan con dos terminales metálicas llamadas sustrato y compuerta. La estructura se compara con un condensador de placas paralelas, en donde se reemplaza el dieléctrico por un material semiconductor y una capa de óxido.

(Se debería incluir un dibujo de un bit de memoria)