Semiconductores Intrinsecos y semiconductores dopados
1. INGENIERIA DE SISTEMAS E INFORMATICA
IV CICLO
CURSO:
Física Electrónica
PROFESOR:
Rojas Reátegui Raúl
PRESENTADO POR :
Marlyn Peña Peña
2. Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse
situada entre las de un aislante y la de un conductor, considerados en orden creciente
Los semiconductores más conocidos son el silício (Si) y el germanio (Ge). Debido a que,
como veremos más adelante, el comportamiento del silício es más estable que el
germanio frente a todas las perturbaciones exteriores que pueden variar su respuesta
normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más utilizado en la fabricación de
los componentes electrónicos de estado solido. A él nos referiremos normalmente,
teniendo en cuenta que el proceso del germanio es absolutamente similar.
Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo, como
electrones en las órbitas que le rodean. (En el caso del silicio este número es de 14). El
interés del semiconductor se centra en su capacidad de dar lugar a la aparición de una
corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. Como es de todos conocido,
un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos.
Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y
pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas
exteriores. Estos electrones pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres al
inyectarles una pequeña energía.
3. Un semiconductor es un componente que no
es directamente un conductor de corriente,
pero tampoco es un aislante. En un
conductor la corriente es debida al
movimiento de las cargas negativas
(electrones). En los semiconductores se
producen corrientes producidas por el
movimiento de electrones como de las
cargas positivas (huecos). Los
semiconductores son aquellos elementos
perteneciente al grupo IV de la Tabla
Periódica (Silicio, Germanio, etc.
Generalmente a estos se le introducen
átomos de otros elementos, denominados
impurezas, de forma que la corriente se deba
primordialmente a los electrones o a los
huecos, dependiendo de la impureza
introducida. Otra característica que los
diferencia se refiere a su resistividad,
estando ésta comprendida entre la de los
metales y la de los aislantes.
4. CORRIENTE DE SEMICONDUCTOR
La corriente que fluirá en un semiconductor intrínseco
consiste en corriente de ambos electrones y huecos.
Es decir, los electrones que han sido liberados de sus
posiciones en la red dentro de la banda de conducción,
se pueden mover a través del material.
Además, otros electrones pueden saltar entre las
posiciones de la red para llenar las vacantes dejadas
por los electrones liberados.
Este mecanismo adicional se llama conducción de
huecos, porque es como si los huecos estuvieran
emigrando a través del material en dirección opuesta
al movimiento de electrones libres.
El flujo de corriente en un semiconductor intrínseco está influenciado por la densidad
de estados de energía la cual a su vez, influencia la densidad de electrones en la banda
de conducción.
Esta corriente es dependiente altamente de la temperatura.
5. Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en
estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro
tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan
los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será
igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la
banda de conducción.
Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento
semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y
varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la
atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones
libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de
conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de
la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se
estimule con el paso de una corriente eléctrica.
6. Los elementos semiconductores por excelencia son el silicio y el germanio, aunque
existen otros elementos como el estaño, y compuestos como el arseniuro de galio
que se comportan como tales.
Tomemos como ejemplo el silicio
en su modelo bidimensional:
Vemos como cada átomo de silicio se rodea de sus 4 vecinos próximos con lo
que comparte sus electrones de valencia.
A 0ºK todos los electrones hacen su papel de enlace y tienen energías
correspondientes a la banda de valencia. Esta banda estará completa, mientras que
la de conducción permanecerá vacía. Es cuando hablamos de que el conductor es
un aislante perfecto.
7. ELECTRONES Y HUECOS
En un semiconductor intrínseco como el silicio a temperatura por encima del
cero absoluto, habrá algunos electrones que serán excitados, cruzarán la
banda prohibida y entrando en la banda de conducción, podrán producir
corriente. Cuando el electrón del silicio puro atraviesa la banda prohibida,
deja tras de sí un puesto vacante de electrones o "hueco" en la estructura
cristalina del silicio normal. Bajo la influencia de una tensión externa, tanto el
electrón como el hueco se pueden mover a través del material. En un
semiconductor tipo n, el dopante contribuye con electrones extras,
aumentando drásticamente la conductividad. En un semiconductor tipo p, el
dopante produce vacantes adicionales o huecos, que también aumentan la
conductividad. Sin embargo, el comportamiento de la unión p-n es la clave
para la enorme variedad de dispositivos electrónicos de estado sólido
8. SEMICONDUCTOR DOPADO
Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de la pila intentará
atraer los electrones y el negativo los huecos favoreciendo así la aparición de
una corriente a través del circuito
9. Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos
los electrones que podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio.
Para aumentar el valor de dicha corriente tenemos dos posibilidades:
Aplicar una tensión de valor superior.
Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exterior.
La primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el
valor de la tensión aplicada, la corriente que aparece no es de suficiente valor. La
solución elegida es la segunda.
En este segundo caso se dice que el semiconductor está "dopado".
El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros
elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas.
Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o
intrínseco aparecen dos clases de semiconductores.
Semiconductor tipo P
Semiconductor tipo N
10. TIPO “N”
Se llama material tipo N al que posee átomos de impurezas que permiten la
aparición de electrones sin huecos asociados a los mismos. Los átomos de
este tipo se llaman donantes ya que "donan" o entregan electrones. Suelen
ser de valencia cinco, como el Arsénico y el Fósforo. De esta forma, no se ha
desbalanceado la neutralidad eléctrica, ya que el átomo introducido al
semiconductor es neutro, pero posee un electrón no ligado, a diferencia de
los átomos que conforman la estructura original, por lo que la energía
necesaria para separarlo del átomo será menor que la necesitada para
romper una ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor original).
Finalmente, existirán más electrones que huecos, por lo que los primeros
serán los portadores mayoritarios y los últimos los minoritarios. La cantidad
de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de
impurezas introducidos.
11. EJEMPLO
El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje N). En el
caso del Fósforo, se dona un electrón.
12. TIPO “P”
Se llama así al material que tiene átomos de impurezas que permiten la
formación de huecos sin que aparezcan electrones asociados a los mismos,
como ocurre al romperse una ligadura. Los átomos de este tipo se llaman
aceptores, ya que "aceptan" o toman un electrón. Suelen ser de valencia
tres, como el Aluminio, el Indio o el Galio. Nuevamente, el átomo introducido
es neutro, por lo que no modificará la neutralidad eléctrica del cristal, pero
debido a que solo tiene tres electrones en su última capa de valencia,
aparecerá una ligadura rota, que tenderá a tomar electrones de los átomos
próximos, generando finalmente más huecos que electrones, por lo que los
primeros serán los portadores mayoritarios y los segundos los minoritarios. Al
igual que en el material tipo N, la cantidad de portadores mayoritarios será
función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.
13. EJEMPLO
El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Boro (P dopaje). En el
caso del boro le falta un electrón y, por tanto, es donado un hueco de
electrón.
14. S e m i c o n d u c t o r e s d e g r u p o I V :
P a r a l o s s e m i c o n d u c t o r e s d e l
g r u p o I V c o m o s i l i c i o , g e r m a n i o y
c a r b u r o d e s i l i c i o , l o s d o p a n t e s
m á s c o m u n e s s o n e l e m e n t o s d e l
g r u p o I I I o d e l g r u p o V . B o r o ,
a r s é n i c o , f ó s f o r o , y
o c a s i o n a l m e n t e g a l i o , s o n
u t i l i z a d o s p a r a d o p a r a l s i l i c i o .
15. BANDAS EN SEMICONDUCTORES
DOPADOS
La aplicación de la teoría de bandas a los semiconductores de tipo n y tipo p
muestra que los niveles adicionales se han añadido por las impurezas. En el
material de tipo n hay electrones con niveles de energía cerca de la parte
superior de la banda prohibida, de modo que pueden ser fácilmente
excitados hacia la banda de conducción. En el material de tipo p, los huecos
adicionales en la banda prohibida, permiten la excitación de los electrones de
la banda de valencia, dejando huecos móviles en la banda de valencia.
16. DOPAJE EN CONDUCTORES
ORGÁNICOS
Los polímeros conductores pueden ser dopados al agregar reactivos químicos
que oxiden (o algunas veces reduzcan) el sistema, para ceder electrones a las
órbitas conductoras dentro de un sistema potencialmente conductor.
Existen dos formas principales de dopar un polímero conductor, ambas mediante
un proceso de reducción-oxidación. En el primer método, dopado químico, se
expone un polímero, como la melanina (típicamente una película delgada), a un
oxidante (típicamente yodo o bromo) o a un agente reductor (típicamente se
utilizan metales alcalinos, aunque esta exposición es bastante menos común). El
segundo método es el dopaje electroquímico, en la cual un electrodo de trabajo,
revestido con un polímero, es suspendido en una solución electrolítica, en la cual
el polímero es insoluble, junto al electrodo opuesto, separados ambos. Se crea
una diferencia de potencial eléctrico entre los electrodos, la cual hace que una
carga (y su correspondiente ion del electrolito) entren en el polímero en la forma
de electrones agregados (dopaje tipo N) o salgan del polímero (dopaje tipo P),
según la polarización utilizada.
La razón por la cual el dopaje tipo N es mucho menos común es que la atmósfera
de la tierra, la cual es rica en oxígeno, crea un ambiente oxidante. Un polímero
tipo N rico en electrones reaccionaría inmediatamente con el oxígeno ambiental y
se desdoparía (o reoxidaría) nuevamente el polímero, volviendo a su estado
natural.
