Los dispositivos de estado sólido son elementos pequeños pero versátiles que pueden ejecutar una gran variedad de funciones de control en los equipos electrónicos. Al igual que otros dispositivos electrónicos, son capaces de controlar casi instantáneamente el movimiento de cargas eléctricas.
Se los utiliza como rectificadores, detectores, amplificadores, osciladores, conmutadores, mezcladores, moduladores, etc. Su peso y tamaño son reducidos, son de construcción sólida y muy resistente mecánicamente lo que los hace libres de microfonismos y se los puede fabricar de manera que sean inmunes a severas condiciones ambientales.
Materiales semiconductores
Los dispositivos de estado sólido hacen uso de la circulación de corriente en un cuerpo sólido.
En general todos los materiales pueden clasificarse en tres categorías principales:
conductores semiconductores aisladores
Como su nombre lo indica, un material “semiconductor” tiene menor conductividad que un “conductor” pero mayor conductividad que un “aislador”.
Hasta hace algunos años el material más utilizado en la fabricación de semiconductores era el “GERMANIO”, luego fue reemplazado por el “SILICIO”, material que sigue siendo utilizado actualmente. De cualquier manera en muchos circuitos todavía son utilizados diodos de germanio.
Resistividad
La aptitud de un material para conducir corriente (conductividad), es directamente proporcional al número de electrones libres del material. Se denomina electrones libres a aquellos que se encuentran en la órbita más externa del átomo y que están unidos débilmente al núcleo del mismo, por no estar completa la cantidad de electrones correspondientes a dicha órbita.
Los buenos conductores tales como la plata, el cobre y el aluminio, tienen gran cantidad deelectrones libres. Su resistividad es del orden de unas pocas millonésimas de ohmcentímetro3.
Los aisladores tales como el vidrio, el caucho y la mica, que tienen muy pocos electrones unidos débilmente al núcleo, tienen resistividades que alcanzan millones de ohm-centímetro³.
El germanio puro tiene una resistividad de 60 ohms-centímetro³, mientras la resistividad del silicio puro es considerablemente mayor, del orden de los 60.000 ohm-centímetro³.
A estos materiales, cuando son utilizados para fabricar semiconductores, se le agregan impurezas para reducir su resistividad hasta un orden de aproximadamente 2 ohm-centímetro³ a temperatura ambiente. Esta resistividad disminuye rápidamente a medida que aumenta la temperatura en el cuerpo del semiconductor.
Estructura Atómica
La teoría electrónica explica que los átomos de todos los elementos están constituidos de forma similar a la del aluminio:
un núcleo formado por protones y neutrones y girando alrededor de él, distribuidos en capas y cada uno en su órbita, (esta de forma elíptica), un número de electrones igual al número de protones.
“Por ser la carga eléctrica de los ELECTRONES NEGATIVA y la de los PROTONES POSITIVA y además contar el átomo con la misma cantidad de cada uno de ellos, estas cargas se compensan entre sí dando como resultado un estado de carga eléctrica neutra en el átomo”.
“Por estar la materia formada por átomos, también es neutra en su estado normal, es decir está equilibrada eléctricamente”.
Electrones Libres
Si fuera posible observar un grupo de átomos que conforman una molécula de aluminio, se vería que los electrones situados en la capa más externa (cantidad = 3) y que están débilmente ligados al núcleo, no permanecen constantemente en el mismo átomo, sino que erráticamente algunos de ellos saltan de átomo a átomo, por esta razón se los denomina Electrones Libres.
La razón de la débil ligazón de estos electrones con el núcleo se debe a que la tercera capa a la que pertenecen no se encuentra completa, es decir tiene un déficit de electrones. Esta es una característica propia de los materiales conductores.
En la Fig. 2 se ha representado un átomo de carbono, en el tenemos la primer capa (órbita) completa, 2 electrones. La segunda capa (órbita) cuenta con 4 electrones solamente, para que el átomo fuera estable y no contara con electrones libres (débil ligazón con el núcleo), esta capa debería tener 8 electrones.
En la Fig. 3 se ha representado un átomo de cobre, en el tenemos la primer capa (órbita)
completa, 2 electrones. La segunda capa (órbita) también está completa, 8 electrones. La
tercer capa (órbita) se encuentra completa, 18 electrones. La cuarta capa (órbita) es la
incompleta, esta capa podría tener un máximo de 32 electrones, pero para que el átomo
fuera estable solo se necesitarían 8 electrones.
En las páginas anteriores se vio que los átomos de todos los elementos están constituidos
por un núcleo (formado por protones y neutrones) y una cantidad de electrones igual a la de los protones, dispuestos en capas u órbitas.
“Cada capa puede contener una máxima cantidad de electrones, este máximo número
de electrones puede determinarse utilizando el siguiente cálculo:
Máxima cantidad de electrones por capa = 2 n²
Siendo “n” el número de capa, contando a partir del núcleo, para la que se desea
conocer la máxima cantidad de electrones que puede contener.
Como se ha descrito, los electrones en un átomo se sitúan en sucesivas capas a partir del núcleo:
“No puede formarse una nueva capa hasta que la anterior no haya completado la
cantidad de electrones que le corresponde. Un átomo es estable, o sea que no se
combina química ni eléctricamente con otros átomos cuando su capa exterior se
encuentra completa.”
“Los electrones de la capa exterior son los que pueden combinarse química o
eléctricamente con los electrones de otros átomos, estos electrones son denominados
ELECTRONES de VALENCIA”.
Cuando la capa exterior de un átomo contiene 8 electrones, el átomo se mantiene muy
estable y no presenta tendencia a perder ni ganar ningún electrón. “Por esta razón ningún átomo contiene más de 8 electrones en su capa exterior”.
Por ejemplo, la capa N (cuarta capa) puede contener un máximo de 32 electrones, pero si
esta capa constituye la capa exterior del átomo en cuestión no contendrá más que 8 electrones.
Ejemplos típicos son algunos gases denominados nobles:
En los gases descriptos, así como también lo son el Radón y el Xenón, sus átomos por su
estabilidad no tienden a combinarse con ningún otro elemento y ni siquiera entre sí para
formar moléculas.
Como se puede apreciar en la Fig. 4, el átomo de Fluor contiene 7 electrones en su capa
más externa. Al no contener 8 electrones el átomo no es estable, sino que es químicamente Activo, por lo tanto pretenderá permanentemente ganar un electrón para completar su capa más externa. Si puede combinarse con algún otro elemento que este dispuesto a perder un electrón de su capa externa lo hará, de lo contrario puede combinarse con otro átomo de su propia especie para formar la molécula de Fluor.
En el caso citado anteriormente los dos átomos de Fluor simplemente están compartiendo sus electrones. Esta condición se mantendrá mientras no se presente la oportunidad de que ambos átomos puedan adquirir el electrón que les falta, en este caso la molécula de Fluor se dividirá en dos átomos y cada uno tomará del otro elemento un electrón que ya no tendrá que compartir con sus pares.
En la Fig. 5 se muestra como se combinan los átomos de dos elementos diferentes para formar una molécula de un compuesto, permitiendo comprender la mayor parte de las reacciones químicas.
El Nº 1 es un átomo de Sodio, en el centro se muestra el núcleo con 11 cargas positivas (11 protones) que equilibran sus 11 cargas negativas (11 electrones). Observemos como están dispuestos estos electrones en las 3 capas del átomo: 2 en la primer capa (capa completa), 8 en la segunda capa (capa completa), 1 en la tercer capa (capa incompleta, deberían ser 8 por ser la capa externa). Al estar este undécimo electrón solo en la capa externa, el átomo de Sodio estará muy dispuesto a perderlo.
El Nº 2 es un átomo de Fluor, este muestra 9 cargas positivas en su núcleo (9 protones) que equilibran sus 9 cargas negativas (9 electrones). Observemos como están dispuestos estos electrones en las 2 capas del átomo: 2 en la primer capa (capa completa), 7 en la segunda capa (capa incompleta, deberían ser 8 por ser la capa externa). Al faltarle un electrón para completar esta última capa, el átomo de Fluor está muy dispuesto para ganar un electrón y completarla.
Es evidente que si se colocan juntos un átomo de Sodio y uno de Fluor, el electrón libre de la capa externa del átomo de Sodio saltará a ocupar el lugar libre de la última capa del átomo de Fluor, dando como resultado esta combinación un elemento compuesto denominado “Fluoruro de Sodio”.
Veamos ahora que los átomos de ambos elementos, Nº 3 y Nº 4, han quedado con una conformación muy similar, la gran diferencia es que se han convertido en iones, ion positivo de Sodio (anión) e ion negativo de Fluor (catión). En ambos ya las cargas positivas del núcleo no compensan las cargas negativas de los electrones, en el átomo de Sodio tenemos 11 cargas positivas en el núcleo y 10 electrones orbitándolo, el átomo ya no es neutro eléctricamente, presenta una “carga positiva”. En el átomo de Fluor tenemos 9 cargas positivas en el núcleo y 10 electrones orbitándolo, el átomo ya no es neutro eléctricamente, presenta una “carga negativa”.
Las partículas de cargas distintas se atraen mutuamente y eso explica por qué se mantienen juntos los dos iones de Sodio y Fluor formando una molécula de Fluoruro de Sodio.
Estructura del Silicio y del Germanio
El átomo de Silicio (Si) contiene 14 electrones dispuestos de la siguiente forma: 2 electrones en la primer capa (capa completa), 8 electrones en la segunda capa (capa completa) y 4 electrones en la tercer capa o externa (capa incompleta).
El átomo de Germanio (Ge) contiene 32 electrones dispuestos de la siguiente forma: 2 electrones en la primer capa (capa completa), 8 electrones en la segunda capa (capa completa), 18 electrones en la tercer capa (capa completa), 4 electrones en la cuarta capa o externa (capa incompleta).
El Germanio y el Silicio tienen cuatro electrones en su capa exterior, por lo tanto un átomo de estos elementos puede combinarse con otros cuatro átomos iguales compartiendo un par de electrones con cada uno de ellos, completando así los 8 electrones de la capa exterior y adquiriendo así una configuración estable.
Los átomos de Silicio o de Germanio, ligados entre sí de esta forma, conforman una red de cubos denominados “cristales elementales” que comparten los cuatro electrones de los vértices comunes, dando lugar a la formación del cristal de Silicio o de Germanio.
La estructura tal como se observa en Fig. 6 no tiene electrones débilmente unidos al núcleo, por lo tanto el elemento conforma un mal conductor. Para poder separar las ligaduras covalentes y proveer así electrones libres para la conducción de corriente eléctrica, seria necesario aplicar altas temperaturas o campos eléctricos intensos al material.
Otra manera de alterar la estructura cristalina y obtener así electrones libres, consiste en agregar pequeñas cantidades de otros elementos que tengan una estructura atómica diferente.
Mediante el agregado de cantidades muy pequeñas de otros elementos, llamados “Impurezas”, es posible modificar y controlar las propiedades eléctricas básicas de los materiales semiconductores. La relación entre “Impurezas” y material semiconductor es del orden de una parte en diez millones.
Cuando se agrega al material semiconductor el elemento de “impureza”, lo átomos de este elemento se incorporan a la estructura reticular del semiconductor pasando a formar parte de la misma.
Si el átomo de impureza contiene un electrón más de valencia en su capa exterior (5 electrones) que el átomo del semiconductor (4 electrones), este electrón adicional no podrá formar una ligadura covalente debido a que no encontrará un electrón de valencia libre adyacente (Fig. 7). El electrón excedente es atraído débilmente por el núcleo del átomo y solo requiere una ligera excitación para separarse, en consecuencia la presencia de tales electrones excedentes hacen al material mejor conductor, es decir su resistencia a la circulación de corriente eléctrica disminuye.
Los elementos de impureza más utilizados que se agregan a los cristales de silicio para proveer los electrones excedentes incluyen al Fósforo (P), el Arsénico (As) y el Antimonio (Sb).
Cuando se agregan al silicio estos elementos, el material resultante es denominado “Tipo N” debido a que los electrones libres excedentes tienen carga negativa. Debe hacerse notar, sin embargo, que la carga negativa de estos electrones se equilibra con una carga positiva equivalente situada en el núcleo de los átomos de impureza, por lo tanto el material sigue siendo neutro eléctricamente.
Se produce un efecto diferente cuando en la estructura cristalina del silicio se introduce impurezas cuyos átomos tienen un electrón de valencia menos en su capa exterior (3 electrones) que el átomo de silicio (4 electrones).
Aunque todos los electrones de valencia del átomo de impureza forman ligaduras covalentes con los electrones de los átomos vecinos del semiconductor, una de las ligaduras de la estructura cristalina no puede completarse debido a que al átomo de impureza le falta un electrón de valencia en su capa externa con respecto a los que poseen los átomos del semiconductor. Como consecuencia de ello aparece en la estructura reticular del cristal un vacío denominado “Laguna” (Fig. 8).
Al quedar conformada así la estructura reticular del cristal, cualquier electrón de las ligaduras covalentes adyacentes puede entonces absorber suficiente energía como para romper su ligadura y moverse a través de la red para llenar la laguna.
Al igual que en el caso de los electrones excedentes, la presencia de lagunas dentro de la estructura, favorece la circulación de electrones en el material del semiconductor, en consecuencia la conductividad aumenta y la resistividad disminuye.
Se considera que el lugar vacío o laguna en la estructura cristalina tiene una carga eléctrica positiva, porque representa la falta de un electrón. Sin embargo en este caso también la carga neta del cristal permanece invariable o sea neutra.
El material semiconductor que contiene lagunas o cargas positivas es denominado material “Tipo P”.
Los materiales tipo P se forman agregando al silicio elementos como el Boro (B), Galio (Ga), Indio (In), Aluminio (Al).
“Aunque existe poca diferencia en la composición química de los materiales Tipo N y Tipo P, las diferencias en las características eléctricas de los dos tipos de elementos son sustanciales y resultan muy importantes en el funcionamiento de los dispositivos semiconductores”.
MECANICA AUTOMOTRIZ 