1. Explique ¿qué es el nivel de Fermi?
La energía máxima que tiene un electrón en un metal a la temperatura del cero absoluto se llama nivel de energía de Fermi.
2. Explique cuál es la base para clasificar un material como conductor, semiconductor o dieléctrico. Explique cuál es la conductividad del dieléctrico perfecto.
Los conductores poseen una alta conductividad, mientras que la propiedad característica de los materiales aislantes (o dieléctricos) es una mala conductividad. Los semiconductores ocupan una posición intermedia entre conductores y aislantes. Aunque no existe una línea rígida que separe los conductores de los semiconductores y los semiconductores de los aislantes, aún así, según la resistividad, los materiales de resistividad del orden de 10-8 a 10-3 10-13 a 106 y 106 a 1018 Los ohmímetros se pueden clasificar en conductores, semiconductores y dieléctricos, respectivamente.
Otra clasificación se basa en el coeficiente de resistividad de la temperatura. Los metales tienen un coeficiente de resistividad de temperatura positivo. Los semiconductores tienen un coeficiente de resistividad de temperatura negativo pequeño y los aisladores tienen un coeficiente de resistividad de temperatura negativo grande.
3. Diferenciar semiconductores, conductores y aislantes en función de la banda prohibida.
La distinción entre conductores, aislantes y semiconductores tiene que ver en gran medida con la anchura relativa de los espacios de energía prohibidos en sus estructuras de bandas de energía. Hay un espacio prohibido amplio (más de 5 eV) para los aisladores, un espacio prohibido estrecho (aproximadamente 1 eV) en el caso de semiconductores y ningún espacio prohibido en el caso de conductores.
4. Explique cuál es la importancia de la capa de valencia y los electrones de valencia.
La capa más externa de un átomo se llama capa de valencia y los electrones de esta capa se llaman electrones de valencia. La formación de bandas de energía se produce debido a la superposición de los niveles de energía de estos electrones de valencia en las capas de valencia. Con la disminución de la distancia interatómica entre los átomos de un cristal, los niveles de energía de los electrones en las capas más externas de los átomos se superponen para formar bandas de energía.
5. Explique ¿cuál es la brecha de energía prohibida? ¿Cómo ocurre? Explique cuál es su magnitud para Ge y Si.
La brecha de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción se conoce como brecha de energía prohibida. Es una región en la que ningún electrón puede permanecer ya que no existe ningún estado energético permitido. La magnitud de la brecha de energía prohibida en el germanio y el silicio es 0,72 eV y 1,12 eV respectivamente a 300 K y 0,785 eV y 1,21 eV respectivamente a temperatura de cero absoluto.
6. ¿Es un agujero una partícula fundamental en un átomo?
El agujero no es una partícula fundamental en un átomo. Se puede pensar que los agujeros son partículas positivas y, como tales, se mueven a través de un campo eléctrico en una dirección opuesta a la de los electrones.
7. Defina un agujero en un semiconductor.
Cuando se suministra energía a un semiconductor, un electrón de valencia se eleva a un nivel de energía superior. El electrón que sale deja una vacante en la banda de valencia. La vacante se llama agujero. Por tanto, una vacante que queda en la banda de valencia debido al ascenso de un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción se conoce como hueco.
8. Explique qué es la corriente de agujero.
El movimiento del hueco (vacancia con carga positiva en la banda de valencia) desde el terminal positivo del suministro al terminal negativo a través del semiconductor constituye la corriente del hueco.
9. Explique qué es un semiconductor intrínseco.
Un semiconductor intrínseco es aquel que está hecho de material semiconductor en forma extremadamente pura (contenido de impurezas que no excede una parte en 100 millones de partes de semiconductores).
10. ¿Por qué el silicio y el germanio son los dos materiales semiconductores más utilizados?
Porque la energía necesaria para liberar un electrón de su banda de valencia (es decir, para romper sus enlaces covalentes) es muy pequeña (1,12 eV para el Si y 0,72 eV para el Ge).
11. ¿Cuál de los dos materiales semiconductores, Si o Ge, tiene mayor conductividad a temperatura ambiente? ¿Por qué?
Dado que la energía requerida para transferir electrones de la banda de valencia a la banda de conducción es mayor en el caso del Si que en el caso del germanio, la conductividad del Ge será mayor que la del Si a temperatura ambiente.
12. ¿Por qué un semiconductor puro se comporta como un aislante a temperatura del cero absoluto?
Para un semiconductor puro a una temperatura del cero absoluto (-273,15oC), la banda de valencia suele estar llena y puede que no haya ningún electrón en la banda de conducción y es difícil proporcionar la energía adicional necesaria para elevar el electrón de la banda de valencia a la banda de conducción. mediante la aplicación de un campo eléctrico. Por tanto, la conductividad de un semiconductor puro a temperatura de cero absoluto es cero y se comporta como un aislante.
13. Explique cuál es el factor principal para controlar la generación y recombinación térmica.
Temperatura, porque con el aumento de la temperatura aumentan las concentraciones de electrones libres y huecos y la tasa de recombinación es proporcional al producto de la concentración de electrones libres y huecos y también aumenta la tasa de producción de pares electrón-hueco (generación térmica). con el aumento de la temperatura.
14. Defina la vida media de un transportista.
La cantidad de tiempo entre la creación y la desaparición de un electrón libre se llama tiempo de vida. Varía desde unos pocos nanosegundos hasta varios microsegundos dependiendo de qué tan perfecto sea el cristal y otros factores.
15. ¿En qué bandas se produce el movimiento de electrones y huecos?
Los electrones libres se mueven en la banda de valencia, mientras que los huecos se mueven en la banda de valencia.
16. Explique cuál es el mecanismo por el cual se produce la conducción dentro del semiconductor.
La conducción ocurre en cualquier material cuando un campo eléctrico aplicado hace que los electrones se muevan en una dirección deseada dentro del material. Esto puede deberse a uno o ambos procesos: el movimiento de electrones y la transferencia de huecos. En el primer caso, los electrones libres en la banda de conducción se mueven bajo la influencia del campo eléctrico aplicado. La transferencia de huecos implica electrones que todavía están unidos a los átomos, es decir, aquellos en la banda de valencia.
17. Explique qué quiere decir con velocidad de deriva y movilidad de un electrón libre.
La velocidad promedio de un electrón se conoce como velocidad de deriva, mientras que la movilidad de un electrón se define como la velocidad de deriva por unidad de campo eléctrico.
18. Definir movilidad de un transportista. Demuestre que la constante de movilidad del electrón es mayor que la de un hueco.
La movilidad se define como la velocidad promedio de deriva de partículas por unidad de campo eléctrico.
La movilidad de los electrones es mayor que la de los huecos porque la probabilidad de que un electrón tenga la energía necesaria para pasar a un estado vacío en la banda de conducción es mucho mayor que la probabilidad de que un electrón tenga la energía necesaria para pasar a un estado vacío en banda de valencia. La movilidad de un electrón es aproximadamente el doble que la de un agujero.
19. Defina la corriente de difusión en un semiconductor.
La difusión de portadores de carga es el resultado de un gradiente de concentración de portadores (es decir, la diferencia de concentración de portadores de una región a otra). En este caso, las concentraciones de portadores de carga (ya sean electrones o huecos) tienden a distribuirse uniformemente por todo el cristal semiconductor. Este movimiento continúa hasta que todos los transportadores estén distribuidos uniformemente por todo el material. Este tipo de movimiento de los portadores de carga se llama corriente de difusión.
20. Defina la corriente de deriva en un semiconductor.
El flujo constante de electrones en una dirección causado por el campo eléctrico aplicado constituye una corriente eléctrica, llamada corriente de deriva.
21. Explique qué sucede con la conductividad del semiconductor con el aumento de temperatura. Compárese con la conductividad de los metales.
Con el aumento de la temperatura, aumenta la concentración de portadores de carga, lo que provoca un aumento de la conductividad de los semiconductores. La conductividad del metal disminuye con el aumento de temperatura.
22. ¿Por qué el coeficiente de temperatura de resistencia de un semiconductor es negativo?
Con el aumento de temperatura, aumenta la concentración de portadores de carga (electrones y huecos). A medida que hay más portadores de carga disponibles, la conductividad de un semiconductor puro aumenta, es decir, la resistividad de un semiconductor puro disminuye con el aumento de la temperatura, es decir, los semiconductores tienen un coeficiente de resistencia de temperatura negativo.
23. Explique qué se entiende por nivel de Fermi en semiconductores. ¿Dónde se encuentra el nivel de Fermi en un semiconductor intrínseco?
El nivel Femi en un semiconductor se puede definir como la energía máxima que tiene un electrón en un semiconductor a temperatura de cero absoluto.
En un semiconductor intrínseco, el nivel de Fermi se encuentra a medio camino entre las bandas de conducción y valencia.
24. Diferenciar entre semiconductores intrínsecos e intrínsecos semiconductores?
Un semiconductor intrínseco es aquel que está hecho del material semiconductor en su forma extremadamente pura.
Cuando se agrega una pequeña cantidad de impureza a un cristal semiconductor puro durante el crecimiento del cristal para aumentar su conductividad, el cristal resultante se llama semiconductor extrínseco.
25. ¿Por qué se hace dopaje en los semiconductores?
El semiconductor intrínseco (o puro) por sí solo tiene poca importancia ya que tiene poca capacidad de conducción de corriente a temperatura ambiente normal. Sin embargo, si se le añade una cantidad muy pequeña de impureza (del orden de un átomo por millón de átomos de semiconductor puro) en el proceso de cristalización, la conductividad eléctrica aumenta muchas veces.
SEMICONDUCTORES – Preguntas y respuestas teóricas de la UNIÓN PN ::
26. Describe la diferencia entre materiales semiconductores tipo P y tipo N.
Cuando se añade una pequeña cantidad de impureza trivalente (como boro, galio, indio o aluminio) a un cristal semiconductor puro durante el crecimiento del cristal, el cristal resultante se denomina semiconductor tipo P.
Cuando se añade una pequeña cantidad de impureza pentavalente (como arsénico, antimonio, bismuto o fósforo) a un cristal semiconductor puro durante el crecimiento del cristal, el cristal resultante se denomina semiconductor tipo N.
27. Explique qué quiere decir con impurezas donadoras y aceptoras.
Las impurezas donantes (como arsénico, antimonio, bismuto o fósforo) cuando se agregan a una red semiconductora pura, forman un semiconductor extrínseco de tipo N. Las impurezas pentavalentes se denominan impurezas donadoras, ya que dichas impurezas donan electrones a la red.
Las impurezas aceptoras (como boro, galio, indio o aluminio) cuando se agregan a una red semiconductora forman un semiconductor extrínseco de tipo P. Las impurezas trivalentes se denominan impurezas aceptoras porque aceptan electrones de la red.
28. Explique el término dopaje y su necesidad.
La conductividad eléctrica del semiconductor intrínseco, que tiene poca capacidad de conducción de corriente a temperatura ambiente y por lo tanto es de poca utilidad, se puede aumentar muchas veces agregando una cantidad muy pequeña de impureza (del orden de un átomo por millón de átomos de semiconductor puro) a en el proceso de cristalización. Este proceso se llama dopaje.
30. Explique cuál es el efecto de la temperatura sobre el semiconductor extrínseco.
Con el aumento de la temperatura de un semiconductor extrínseco, el número de portadores generados térmicamente aumenta, lo que da como resultado un aumento en la concentración de portadores minoritarios. A una temperatura que excede la temperatura crítica, el semiconductor extrínseco se comporta como un semiconductor intrínseco pero con mayor conductividad.
31. Explique cuáles son los portadores de carga en los semiconductores tipo P y tipo N.
Los electrones de carga en los semiconductores de tipo n y los huecos en los semiconductores de tipo p son los portadores de carga.
32. Para el mismo orden de dopaje, ¿por qué el semiconductor tipo n exhibe una conductividad mayor que el semiconductor tipo p?
Dado que la movilidad de los electrones es mayor que la de los huecos, para el mismo nivel de dopaje, el semiconductor tipo n exhibe una mayor conductividad.
33. Explique cuál es la proporción de portadores mayoritarios y minoritarios en semiconductores intrínsecos y extrínsecos.
Para semiconductores intrínsecos, la proporción de portadores mayoritarios y minoritarios es Unity.
Para los semiconductores extrínsecos, la proporción de portadores mayoritarios y minoritarios es muy grande.
34. Explique qué es una unión pn.
La superficie de contacto entre las capas de piezas semiconductoras de tipo p y tipo n colocadas juntas para formar una unión pn se llama unión pn.
35. ¿Cómo varían el ancho de la región de transición y el potencial de contacto a través de una unión pn con el voltaje de polarización aplicado?
Cuando la unión pn está polarizada directamente, el ancho de la región de transición se reduce y el potencial de contacto también se reduce con el aumento del voltaje de polarización aplicado.
Cuando la unión pn tiene polarización inversa, la transición se amplía y el potencial de contacto aumenta y con el aumento del voltaje de polarización aplicado.
36. ¿Qué tipo de cargas se presentan en las dos caras opuestas de la unión?
Carga positiva en el lado n y carga negativa en el lado p de la unión.
37. Explique qué tipos de portadores están presentes en la región de carga espacial.
No hay ningún operador de telefonía móvil presente en la región de carga espacial.
38. ¿Por qué la región del espacio se llama región de agotamiento?
La región alrededor de la unión está completamente ionizada al formarse la unión pn. Como resultado, no hay electrones libres en el lado n ni huecos en el lado p. Dado que la región alrededor del cruce está agotada de cargas móviles, se llama región de agotamiento.
39. ¿Por qué se produce un campo eléctrico en una región de agotamiento de una unión pn?
La separación de densidades de carga espacial positivas y negativas en una unión pn da como resultado un campo eléctrico.
40. Explique qué es el ancho de la carga espacial.
La región de carga espacial se extiende hacia las regiones n y p desde la unión metalúrgica. La distancia se conoce como ancho de carga espacial.
41. El campo eléctrico en la región de carga espacial disminuye con polarización directa y aumenta con polarización inversa. ¿Por qué?
Porque el campo eléctrico aplicado se opone al campo incorporado.
42. ¿Defina el voltaje de corte de un diodo de unión pn?
El voltaje directo, al cual la corriente a través de la unión pn comienza a aumentar rápidamente, se llama voltaje de corte.
43. Explica qué entiendes por corriente de saturación inversa de un diodo.
La corriente de saturación inversa de un diodo se debe a portadores minoritarios y se produce cuando el diodo tiene polarización inversa. Sólo se requiere un voltaje muy pequeño para dirigir todos los portadores minoritarios a través de la unión, y cuando todos los portadores minoritarios fluyen a través, un mayor aumento en el voltaje de polarización no causará un aumento en la corriente. Esta corriente se conoce como corriente de saturación inversa.
44. Explique cuál es el efecto de la temperatura sobre la corriente inversa de una unión pn.
La corriente inversa de una unión pn aumenta con el aumento de la temperatura de la unión.
45. ¿Por qué se prefiere el silicio al germanio en la fabricación de dispositivos semiconductores?
El silicio prefirió al germanio en la fabricación de dispositivos semiconductores porque dichos dispositivos tienen valores nominales de corriente y voltaje inverso máximo más altos y un rango de temperatura más amplio que los de germanio.
46. ¿Definir voltaje inverso pico?
El voltaje inverso pico es el voltaje máximo que se puede aplicar a la unión pn sin dañar la unión. Si el voltaje inverso a través de la unión excede su voltaje inverso máximo (PIV), la unión puede destruirse debido al calor excesivo.
47. Definir tensión de ruptura.
El voltaje de ruptura se define como el voltaje inverso al cual la unión pn se rompe con un aumento repentino con la corriente inversa.
48. Definir las limitaciones en las condiciones de operación de un cruce pn.
Cada unión pn tiene valores límite de:
- Corriente directa máxima
- Tensión inversa máxima (PIV)
- Clasificación de potencia máxima
- La unión pn proporciona un rendimiento satisfactorio cuando se opera dentro de estos valores límite. El diodo de unión pn puede destruirse debido al calor excesivo si se excede cualquiera de estos valores.
