Cronología

En 1833, Michael Faraday un físico británico quien descubrió que el sulfuro de plata tenia coeficiente negativo.

En 1835, se descubren las propiedades rectificadoras de los dispositivos de estado sólido.

En 1864, se hace un redescubrimiento de las propiedades rectificadoras de los dispositivos de estado sólido.

En 1904, se patenta el primer rectificador de estado sólido.

También en 1904 se patenta el primer diodo de vacío conocido como válvula de Fleming.

En 1907, el doctor Lee de Forest inventa su diodo de vació (audión).

En 1940, se inicia la investigación sería sobre los dispositivos de estado sólido.

En la navidad de 1947, se produce el primer amplificador de estado sólido (transistor) en los laboratorios de la compañía Bell (AT&T).

En 1949, se propone la teoría para el transistor de unión.

En 1956, se concede el premio novel de física a los inventores del transistor.

En 1951, se construyo y demostró un modelo funcional del transistor de unión.

A fines de la década de los 50 se le entregó a los militares una computadora de bulbos que ocupaba 60000 pies2  (6231 m2 de espacio de suelo)
 

El diodo ideal

El diodo es un dispositivo electrónico, el más sencillo de los dispositivos semiconductores, pero desempeña un papel muy importante en los sistemas electrónicos. Con sus características, que son muy similares a las de un interruptor sencillo, aparece en una amplia variedad de aplicaciones, que van desde las más sencillas a las más complejas.

De manera ideal, un diodo conducirá corriente en la dirección que define la flecha en el símbolo, y actuará como un circuito abierto en cualquier intento por establecer corriente en dirección opuesta.

Las características de un diodo ideal son aquellas de un interruptor que puede conducir corriente en una sola dirección.
 

El átomo de germanio tiene 32 electrones en órbita, mientras que el silicio tiene 14 electrones en varias órbitas. En cada caso, existen cuatro electrones en la órbita exterior (valencia). El potencial (potencial de ionización) que se requiere para movilizar cualquiera de estos cuatro electrones de valencia, es menor que el requerido por cualquier otro electrón  dentro de la estructura. En un cristal puro de germanio o de silicio estos cuatro electrones de valencia se encuentran unidos a cuatro átomos adjuntos como se muestra en la figura 4.3. para el silicio. Tanto el Ge como el Si son referidos como átomos tetravalentes, porque cada uno tiene cuatro electrones de valencia.

Una unión de átomos fortalecida por el compartimiento de electrones se denomina unión covalente.
 

Se dice que los materiales semiconductores como el Ge y el Si, que muestran una reducción en resistencia con el incremento en la temperatura, tienen un coeficiente de temperatura negativo.

Mientras más distante se encuentre el electrón del núcleo 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.
 
 

Materiales semiconductores

El término semiconductor revela por sí mismo una idea de sus características. El prefijo semi suele aplicarse a un rango de niveles situado a la mitad entre dos límites.

El término conductor se aplica a cualquier material que soporte un flujo generoso de carga, cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales.

Un aislante es un material que ofrece un nivel muy bajo de conductividad bajo la presión de una fuente de voltaje aplicada.

Un semiconductor, por tanto, es un material que posee un nivel de conductividad sobre algún punto entre los extremos de un aislante y un conductor.

Aunque se puede estar familiarizado con las propiedades eléctricas del cobre y la mica, las características semiconductores, germanio (Ge) y silicio (Si), pueden ser relativamente nuevas. Algunas de las cualidades únicas del Ge y el Si es que ambos forman un patrón muy definido que es periódico en naturaleza  (continuamente se repite el mismo). A un patrón completo se le llama cristral y al arreglo periódico de los átomos, red cristalina. Para el Ge y el Si el cristal tiene la estructura de diamante de tres dimensiones que se muestra en la figura 4.4 cualquier material compuesto sólo
 

Figura 4.4. Estructura de un solo cristal de Ge y Si.
 
 

Materiales Extrínsecos tipo N y tipo P

Las características de los materiales semiconductores pueden ser alteradas significativamente por la adición de ciertos átomos de impureza a un material semiconductor relativamente puro. Estas impurezas, aunque sólo haya sido añadida 1 parte en 10 millones, pueden alterar en forma suficiente la estructura de la banda y cambiar totalmente las propiedades eléctricas del material.

Un material semiconductor que haya sido sujeto de dopado se denomina un material extrínseco.

Existen dos materiales extrínsecos de gran importancia para la fabricación de dispositivos semiconductores: el tipo n y el tipo p.
 

Material tipo N

Tanto el material tipo n como el tipo p se forman mediante la adicción de un número predeterminado de átomos de impureza al germanio o al silicio. El tipo n se crea a través de la introducción de elementos de impureza que poseen cinco electrones de valencia (pentavalentes), como el antimonio, arsénico y fósforo.

Las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se les llama átomos donadores.

Es importante comprender que, aunque un número importante de portadores "libres" se han creado en el material tipo n, éste aún es eléctricamente neutral, debido a que de manera ideal el número de protones cargados positivamente en los núcleos es todavía igual al número de electrones "libres" cargados negativamente y en órbita en la estructura.
 

Material tipo P

El material tipo p se forma mediante el dopado de un cristal puro de germanio o de silicio con átomos de impureza que poseen tres electrones de valencia. Los elementos que se utilizan con mayor frecuencia para este propósito son el boro, galio e indio.

A las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se les conoce como átomos aceptores.

El material resultante tipo p el eléctricamente neutro, por las mismas razones descritas para el material tipo n.

Flujo de electrones comparado con flujo de huecos

Si un electrón de valencia adquiere suficiente energía cinética para romper su unión covalente y llena un hueco, entonces se creará un hueco en la unión covalente que liberó el electrón.
 
 

Portadores mayoritarios y minoritarios

En el estado intrínseco, el número de electrones libres en Ge o en Si se debe sólo a aquellos electrones en la banda de valencia que han adquirido suficiente energía de las fuentes térmicas o lumínicas para romper la unión covalente o a las pocas impurezas que no pudieron eliminarse. Las "vacantes" dejadas atrás en la estructura de uniones covalentes representan una cantidad muy limitada de huecos. En un material tipo n, el número de huecos no ha cambiado de manera significativa de su nivel intrínseco. El resultado neto, por tanto, es que el número de electrones supera por mucho el número de huecos. Por esta razón:

En un material tipo n al electrón se le llama portador mayoritario y el hueco es el portador minoritario.

En un material tipo p el hueco es el portador mayoritario y el electrón el portador minoritario.

Cuando el quinto electrón de un átomo donor deja a su átomo, el átomo restante adquiere una carga positiva neta: de ahí el signo positivo en la representación de ion donor. Por razones análogas, el signo negativo aparece en el  ion aceptor.

Los materiales tipo n y p representan los bloques de construcción básicos de los dispositivos semiconductores. En la siguiente sección se encontrará que la "unión" de un solo material tipo n con un material tipo p tendrá por resultado un elemento semiconductor de importancia considerable en los sistemas electrónicos.
 
 

Diodo semiconductor

El diodo semiconductor se forma con sólo juntar los materiales tipo n y tipo p. En el momento en que son "unidos" los dos materiales, los electrones y los huecos en la región de la unión se combinan, dando por resultado una falta de portadores en la región cercana a la unión.

A esta región de iones positivos y negativos descubiertos se le llama región de agotamiento, debido al agotamiento de portadores en esta región.

Como el diodo es un dispositivo de dos terminales, la aplicación de un voltaje a través de sus terminales permite tres posibilidades:

a) Sin polarización (VD = 0V): en ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de la carga en cualquier dirección para un diodo semiconductor es cero.
 

Figura 4.5. Unión p-n sin polarizar externamente

b) Polarización directa (VD > 0V): a la corriente que existe bajo las condiciones de polarización se le llama corriente de saturación, y se representa mediante IS.
 
 

Figura 4.6. Unión p-n con polarización inversa.
 

c) Polarización inversa (VD < 0V): un diodo semiconductor tiene polarización directa cuando se ha estableciedo la asociación tipo p y positivo  y tipo n y negativo.
 
 

Figura 4.7. Unión p-n con polarización directa
 
 

Región Zener

El potencial de polarización inversa que da como resultado un cambio muy drástico de las características dse le llama potencial Zener y se le da el símbolo VZ.

Mientras el voltaje a través del diodo se incrementa en la región de polarización inversa, la velocidad de los portadores minoritarios responsables de la corriente de saturación inversa IS también se incrementarán. Eventualmente, su velocidad y energía cinética asociada será suficiente para liberar portadores adicionales por medio de colisiones con otras estructuras atómicas estables. Esto es, se generará un proceso de ionización, hasta el punto en el cual se establece una gran corriente de avalancha que determina la región de ruptura de avalancha. La región de avalancha (VZ) se puede acercar al eje vertical al incrementar los niveles de dopado en los materiales tipo p y tipo n. sin embargo, mientras VZ disminuye a niveles muy bajos, como - 5 V, otro mecanismo llamado ruptura Zener contribuirá con un cambio agudo en la característica. Esto ocurre debido a que existe un fuerte campo eléctrico en la región de la unión que puede superar las fuerzas de unión dentro del átomo y "generar" portadores. Aunque el mecanismo de ruptura Zener es un controbuyente significativo sólo en los niveles más bajos de VZ, utilizan esta porción única de la característica de una unión p-n son los diodos Zener.
 

Figura 4.8. Región Zener
 
 

El máximo potencial de polarización inversa que puede ser aplicado antes de entrar a la región Zener se conoce como voltaje pico inverso.
 

Técnicas de fabricación

El primer paso en la fabricación de algún dispositivo es obtener materiales semiconductores del nivel de pureza deseado, como el silicio, germanio y arseniuro de galio. En la actualidad se requieren niveles de impureza de menos de una parte de mil millones (1 en 1,000,000,000) para la fabricación de la mayoría de los dispositivos semiconductores.

Las materias primas se sujetan primero a una serie de reacciones químicas y aun proceso de refinación por zona para formar un cristal policristalino del nivel de pureza que se desea. Los átomos de un cristal policristalino están acomodados en forma aleatoria, mientras que en el cristal único, los átomos están acomodados en una red cristalina geométrica, simétrica y uniforme.

El aparato para refinación por zona consiste en un recipiente de grafito o cuarzo, para tener la contaminación mínima, un tubo contenedor de cuarzo y un juego de bobinas de inducción de RF (radiofrecuencia). Las bobinas o el bote deben ser movibles a lo largo de la longitud del tubo de cuarzo. Se obtendrá el mismo resultado en cualquier caso, aunque aquí se presenta el método de las bobinas movibles porque parece ser el más común. El interior del tubo contenedor de cuarzo está lleno con un gas inerte (con poca o ninguna reacción química) o al vacío, para reducir más la posibilidad de contaminación.

En el proceso de refinación por zona se pone en el bote una barra de silicio con las bobinas en un extremo de la barra. Luego se aplica la señal de radiofrecuencia a la bobina, la cual induce un flujo de carga (corrientes parásitas) en el lingote de silicio. Se aumenta la magnitud de estas corrientes hasta que se desarrolla suficiente calor para fundir esa región del material semiconductor. Las impurezas del lingote entrarán en un estado más líquido que el material semiconductor que las rodea. Las bobinas de inducción se mueven lentamente hacia la derecha para inducir la fusión de la región vecina, las impurezas "más fluidizas" "seguirán" a la región fundida. El resultado neto es que un gran porcentaje de las impureza aparecerán al extremo derecho del lingote cuando las bobinas de inducción hayan llegado a ese extremo. Este lado de la pureza con impurezas puede después cortarse y se repite el proceso completo hasta que se llega al nivel de pureza deseado.
 

Diodos Discretos

Los diodos semiconductores son con frecuencia de algunos de los siguientes cuatro tipos: crecimiento de la unión, aleación, difusión o crecimiento epitaxial.

Crecimiento de la unión: los diodos de este tipo se forman durante el proceso de estiramiento de cristal Czochralski. Se pueden añadir alternamente impurezas tipo p y n al material semiconductor fundido en el crisol, y da como resultado una unión p-n cuando el cristal se estira. Después de rebanar, el dispositivo de área grande puede cortarse en grandes cantidades (a veces miles) de diodos semiconductores de área más pequeña. El área de los diodos de unión por crecimiento es lo suficientemente grande para manejar altas corriente (y por tanto tener valores nominales de potencia altos). Sin embargo, al área grande introducirá efectos capacitivos indeseables en la unión.

Aleación: el proceso de aleación dará como resultado un diodo semiconductor del tipo de unión que también tendrá un alto valor nominal de corriente y PIV grande. Sin embargo, la capacitancia de la unión es también grande, porque el área de unión también es grande.

La unión p-n se forma poniendo primero una impureza tipo p en un sustrato tipo n y calentando ambos hasta que sucede la licuefacción y los dos materiales se juntan. El resultado es una aleación que cuando se enfría produce una unión p-n en la frontera entre la aleación y el sustrato. Los papeles que desempeñan los materiales tipo n y p pueden intercambiarse.

Difusión: el proceso de difusión para formar diodos semiconductores de unión puede emplear difusión sólida o gaseosa. Este proceso requiere más tiempo que el proceso de aleación, pero es relativamente barato y puede controlarse con mucha más precisión. La difusión es un proceso por el cual una lata concentración de partículas se "difunden" en una región que la rodea con menor concentración. La principal diferencia entre los procesos de difusión y aleación es el hecho de que no se llega a la licuefacción en el proceso de difusión. Solamente se aplica calor en el proceso de difusión para incrementar la actividad de los elementos involucrados.

El proceso de difusión sólida comienza con el "deposito" de impurezas aceptoras en un sustrato tipo n y se calientan los dos hasta que la impureza se difunde en el sustrato hasta formar la capa tipo p.

En el proceso de difusión gaseosa, un material tipo n se sumerge en una atmósfera gaseosa de impurezas aceptoras y luego se calienta. La impureza se difunde en el sustrato para formar la capa tipo p del diodo semiconductor. También pueden intercambiarse los papeles de los materiales tipo p y n. el proceso de difusión es el que se utiliza más en la actualidad para la fabricación de diodos semiconductores discretos.

Crecimiento Epitaxial: el término epitaxial se deriva de las palabras griegas epi, que significa "sobre", y taxis, que significa "arreglo". Una oblea base de material n+ se conecta a un conductor metálico. La n+ indica un nivel de dopado muy alto para una característica de resistencia reducida. Su propósito es actuar como una extensión semiconductora del conductor y no como el material tipo n de la unión p-n. La capa tipo n se depositará sobre esta capa usando un proceso de difusión. Esta técnica de utilizar una base n+ da al fabricante ventajas definitivas de diseño. Luego se aplica el silicio tipo p usando una técnica de difusión y se agrega el conector metálico del ánodo.
 

Fabricación de Transistores

La mayoría de los métodos que se usan para fabricar transistores son simplemente extensiones de los métodos usados para elaborar diodos semiconductores. Los métodos más usados actualmente incluyen unión por aleación y difusión. El estudio de cada método será breve, pero se incluirán los pasos fundamentales de cada uno.

Unión por aleación: la técnica de unión por aleación es una extensión del método para la fabricación de diodos semiconductores. Sin embargo, se depositan dos puntos de la misma impureza a cada lado de la oblea semiconductora que tiene la impureza opuesta. Luego se calienta toda la estructura hasta que se funde y cada punto se une en aleación a la oblea de la base, dando como resultado las uniones p-n.

El punto de colector y la unión resultante son más grandes para soportar la corriente, y la disipación de potencia más alta en la unión colector-base. Este método no se emplea tanto como la técnica de difusión que se describirá brevemente, pero todavía se usa mucho en la fabricación de diodos de alta potencia.

Crecimiento de la Unión: se usa la técnica Czochralski para formar las dos uniones p-n en un transistor de unión por crecimiento. El proceso, requiere que el control de la impureza y la relación de retiro sean tales que aseguren el ancho adecuado de la base y los niveles de dopado de los materiales tipo n y p. Los transistores de este tipo están limitados por lo general a un valor nominal menor de ¼ W.

Difusión: el método de fabricación que más se utiliza en la actualidad es la técnica de difusión. El proceso básico se presentó en el análisis de la fabricación de diodos semiconductores. La técnica de difusión se emplea en la producción de transistores en meseta y planares, donde cada uno de ellos puede ser de tipo de difusión o epitaxial.

En el transistor pnp en meseta de difusión, el primer proceso es una difusión tipo n en una oblea tipo p para formar la región de la base. Luego, se difunde o se une en aleación el emisor tipo p a la base tipo n. después se hace una corrosión para reducir la capacitancia de la unión del colector. El termino "meseta" se deriva de su similitud con la formación geográfica. La técnica de difusión permite un control muy preciso de los niveles de dopado y el espesor de las diversas regiones.

La principal diferencia entre el transistor de meseta epitaxial y el transistor de meseta es una capa epitaxial adicional sobre el sustrato de colector original. El sustrato tipo p original se pone en un recipiente cerrado que contiene vapor de la misma impureza. Mediante un control adecuado de temperatura, los átomos del vapor caerán y se acomodarán por sí mismos sobre el sustrato tipo p original, dando como resultado la capa epitaxial. Una vez que se ha establecido esta capa, continúa el proceso, igual que para el transistor en meseta, para formar las regiones de base y emisor. El sustrato tipo p original tendrá un nivel de dopado mayor y una resistencia menor que el de la capa epitaxial. El resultado es una conexión de baja resistencia con la terminal de colector que reducirá las pérdidas por disipación del transistor.

Los transistores planar y planar epitaxial son fabricados con dos procesos de difusión para formar las regiones de base y emisor. El transistor planar tiene una superficie plana y de ahí el término planar. Se añade una capa de óxido para eliminar las uniones expuestas, lo cual reduce sustancialmente las pérdidas por fugas superficiales (corrientes de fuga en la superficie, en vez de a través de la unión).
 

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