Diodo túnelIng. O

Introducción

MaterialesSemiconduct

ores

Los semiconductores forman un grupo de materiales que presenta un comportamiento intermedio entre los conductores y aislantes; Los tres semiconductores más frecuentemente utilizados en la construcción de dispositivos electrónicos son Ge, Si y GaAs.14º

2,8,4 32º 2,8,18,4

GermanioSilicio

Los semiconductores son una clase especial de elementos cuya conductividad se encuentra entre la de un buen conductor y la de un aislante.

SemiconductorIntrínseco

El término intrínseco se aplica a cualquier material semiconductor que haya sido cuidadosamente refinado para reducir el número de impurezas a un nivel muy bajo; en esencia, lo más puro posible que se pueda fabricar utilizando tecnología actual.

SemiconductorExtrínseco

Un material semiconductor que ha sido sometido al proceso de dopado se conoce como material extrínseco.Hay dos materiales extrínsecos de inmensurable importancia en la fabricación de dispositivos semiconductores:

Material tipo P

Material tipo N

Las características de un material semiconductor se pueden modificar de manera significativa con la adición de átomos de impureza específicos al material semiconductor relativamente puro. Estas impurezas, aunque sólo se agregan en 1 parte en 10 millones, pueden alterar la estructura de las bandas lo suficiente para cambiar del todo las propiedades eléctricas del material.

&

En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar.

Un semiconductor con dopajes ligeros y moderados se les conoce como extrínsecos.

Un semiconductor altamente dopado que actúa mas como un conductor que como un semiconductor es llamado degenerado.

Material tipo P

El material tipo p se forma dopando un cristal de germanio o silicio puro con átomos de impureza que tienen tres electrones de valencia. Los elementos más utilizados para este propósito son boro, galio e indio.

Las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se llaman átomos aceptores.

El vacío resultante se llama hueco y se denota con un pequeño círculo o un signo más.

Material tipo N

Un material tipo n se crea introduciendo elementos de impureza que contienen cinco electrones de valencia (pentavalentes), como el antimonio, el arsénico y el fósforo.

Observar que los cuatros enlaces covalentes permanecen. Existe, sin embargo, un quinto electrón adicional debido al átomo de impureza, el cual no está asociado con cualquier enlace covalente particular.

Las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se llaman átomos aceptores.

A temperatura ambiente en un material de Si intrínseco hay alrededor de un electrón libre por cada 1012 átomos. Si el nivel de dopado es de 1 en 10 millones (107), la razón 1012/107 = 105 indica que la concentración de portadores se ha incrementado en una razón de 100,000:1 debido a las impurezas.

Portadores mayoritari

os y minoritario

s

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

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

Unión P-N

Polarizado directame

nte

Polarizadoinversame

nte

Diodo túnel

El diodo túnel fue inventado por el Dr. Leo Esaki en 1957, cuando el estaba en Tokyo Tsushin Kogyo (Sony),  mientras él estaba investigando la emisión por efecto de campo interno en una unión de germanio p-n degenerada.En 1973 recibió el premio nobel de fisica por haber descubierto el efecto túnel, efecto usado en los diodos túnel.

Descubrió que los diodos semiconductores obtenidos con un grado de contaminación del material básico mucho más elevado que lo habitual exhiben una característica tensión-corriente muy particular, esa particularidad el la llamo “Efecto túnel”.

https://www.sony.net/SonyInfo/CorporateInfo/History/SonyHistory/1-09.html#block3

La historia de como fue que el Dr. Leo Esaki llego a tal descubrimiento, esta en la pagina que les brindo aqui abajo, es la pagina oficial de Sony, y cuenta la historia de la compañía, en la cual, menciona que mientras la compañía buscaba solucionar su problema con su nuevo transistor (2T7) fue como surgió todo este gran suceso.

Fabricación

El diodo túnel se fabrica dopando los materiales semiconductores que formaran la unión p-n a un nivel de 100 a varios miles de veces el de un diodo semiconductor típico.

Esto reduce en gran medida la región de empobrecimiento, a una magnitud de 10-6 cm, o por lo general a aproximadamente (1/100) del ancho de esta región en el caso de un diodo semiconductor.

Después del trabajo de Esaki, varios investigadores demostraron que el efecto túnel también funcionaba en otros materiales. Holonyak y Lesk demostraron con un dispositivo de arseniuro de galio en 1960, y otros demostraron que también se lograba el efecto con indio y estaño, y luego en 1962 el efecto se demostró en materiales que incluyen arseniuro de indio, fosfuro de indio y también silicio.

Efecto túnel

Bandas de energía en

semiconductores

Ec

Ei

Ev

EFP

E

Ec

Ei

Ev

EFN

E

Ec

Ei

EvEFP

E

Ec

Ei

Ev

E

EFN

Tipo pBajo dopaje

Tipo nBajo dopaje

Tipo pAlto dopaje

Tipo nAlto dopaje

Ec

Ei

EvEFP

E

Ec

Ei

Ev

EFN

E

Ec

Ei

EvEFP

E

Ec

Ei

Ev

E

EFN

Tipo pMuy alto dopaje

Tipo nMuy alto dopaje

Tipo pDegenerado

Tipo nDegenerado

Diodo túnel polarizado

directamente

Ec

Ei

EvEFP

Ec

Ei

Ev

EFN

Ec

Ei

EvEFP

Ec

Ei

Ev

EFN

Bandas de energía de un diodo túnel en equilibrio

N

PEW

E

Bandas de energía de un diodo túnel cuando se le aplica un pequeño voltaje

V

I

V

I

N

P

qVbi

Ec

Ei

EvEFP Ec

Ei

Ev

EFN

E

Bandas de energía de un diodo túnel cuando se le continúa aplicando un pequeño voltaje

Ec

Ei

EvEc

Ei

Ev

EFN

E

Al llegar a cierto voltaje, el túnelllega a su máximo

N

P

N

P

V

I

V

I

V

I

Ec

Ei

EvEc

Ei

Ev

EFN

E

Bandas de energía de un diodo túnel cuando se le aplica un pequeño voltaje

Ec

Ei

EvEc

Ei

Ev

EFN

E

Bandas de energía de un diodo túnel cuando se le aplica un pequeño voltaje

EFP EFP

N

P

N

P

V

I

V

I

Ec

Ei

Ev Ec

Ei

Ev

EFN

E

Se observa que el diagrama de bandas del diodo túnel, ahora tiene una grafica similar a la de un diodo semiconductor normal

EFP

Ec

Ei

Ev

Ec

Ei

Ev

EFN

E

Bandas de energía de un diodo túnel cuando se lecontinua aplicando voltaje

EFP

N

P

N

P

V

I

V

I

W W

qVbiqVbi

Aplicaciones

Los diodos túnel son resistentes a los efectos de campos magnéticos, altas temperaturas y radioactividad. Pueden ser usados en equipos modernos (NMR Machines).

Debido a la baja demanda de potencia, se utilizan en los receptores de FM.

Son usados en los equipos de comunicación por satélite.

Se utiliza como un interruptor de alta velocidad debido al efecto túnel.

Se puede utilizar un diodo túnel para generar un voltaje senoidal con sólo una fuente de cd y algunos elementos pasivos.

Aunque el uso de los diodos túnel en sistemas de alta frecuencia actuales se ha detenido dramáticamente debido a la disponibilidad de técnicas de fabricación de dispositivos alternativos, su sencillez, linealidad, bajo consumo de potencia y confiabilidad, aseguran su continuidad de uso y aplicación.

Bibliografía