TRABAJO

1. SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
Y SEMICONDUCTORES DOPADOS
• ROMAIN TORRE ZUÑIGA

2. SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO
Un material semiconductor hecho sólo de un único tipo de átomo, se denomina
semiconductor intrínseco.
Los más empleados históricamente son el germanio (Ge) y el silicio (Si); siendo
éste último el más empleado (por ser mucho más abundante y poder trabajar a
temperaturas mayores que el germanio).

3. Cada átomo de un semiconductor tiene 4 electrones en su órbita externa
(electrones de valencia), que comparte con los átomos adyacentes formando
4 enlaces covalentes. De esta manera cada átomo posee 8 electrones en su
capa más externa., formando una red cristalina, en la que la unión entre los
electrones y sus átomos es muy fuerte. Por consiguiente, en dicha red, los
electrones no se desplazan fácilmente, y el material en circunstancias
normales se comporta como un aislante.
Sin embargo, al aumentar la temperatura, los electrones ganan energía, por
lo que algunos pueden separarse del enlace e intervenir en la conducción
eléctrica. De esta manera, la resistividad de un semiconductor disminuye con
la temperatura (su conductividad aumenta). A temperatura ambiente, algunos
electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del
enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en
electrones libres. Si a estos electrones, se les somete al potencial eléctrico,
como por ejemplo de una pila, se dirigen al polo positivo. Cuando un electrón
libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina
un hueco, cuyo efecto es similar al que provocaría una carga positiva.

4. Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. La conducción
eléctrica a través de un semiconductor es el resultado del movimiento de
electrones (de carga negativa) y de los huecos (cargas positivas) en
direcciones opuestas al conectarse a un generador. Si se somete el cristal a
una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas: una debida
al movimiento de los electrones libres de la estructura cristalina, y otra debida
al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a
saltar a los huecos próximos, originando una corriente de huecos. Los
electrones libres se dirigen hacia el polo positivo de la pila (cátodo), mientras
que los huecos pueden considerarse como portadores de carga positiva y se
dirigen hacia el polo negativo de la pila, llamado ánodo (hay que considerar
que por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la
corriente eléctrica; los huecos sólo existen en el seno del cristal
semiconductor

5. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
Para mejorar las propiedades de los semiconductores, se les somete a
un proceso de impurificación (llamado dopaje), consistente en introducir
átomos de otros elementos con el fin de aumentar su conductividad. El
semiconductor obtenido se denominará semiconductor extrínseco.
Según la impureza (llamada dopante) distinguimos:

6. Semiconductor tipo P : se emplean elementos trivalentes (3 electrones
de valencia) como el Boro (B), Indio (In) o Galio (Ga) como dopantes.
Puesto que no aportan los 4 electrones necesarios para establecer los 4
enlaces covalentes, en la red cristalina éstos átomos presentarán
un defecto de electrones (para formar los 4 enlaces covalentes). De esa
manera se originan huecos que aceptan el paso de electrones que no
pertenecen a la red cristalina. Así, al material tipo P también se le
denomina donador de huecos (o aceptador de electrones).

7. Semiconductor tipo N: Se emplean como impurezas elementos
pentavalentes (con 5 electrones de valencia) como el Fósforo (P), el
Arsénico (As) o el Antimonio (Sb). El donante aporta electrones en exceso,
los cuales al no encontrarse enlazados, se moverán fácilmente por la red
cristalina aumentando su conductividad. De ese modo, el material tipo N
se denomina también donador de electrones.

8. INTRODUCCIÓN
 Cristal Semiconductor intrínseco:
 A simple vista es imposible que un semiconductor permita el movimiento de electrones
a través de sus bandas de energía
 Idealmente, a T=0ºK, el semiconductor es un aislante porque todos los e- están formando
enlaces.
 Pero al crecer la temperatura, algún enlace covalente se puede romper y quedar
libre un e- para moverse en la estructura cristalina.
Representación
bidimensional de la
estructura cristalina
del Si
 El hecho de liberarse un e- deja un “hueco” (partícula ficticia positiva) en la estructura
cristalina. De esta forma, dentro del semiconductor encontramos el electrón libre (e-), pero
también hay un segundo tipo de portador: el hueco (h+)

9.  Modelo de bandas de energía: Conducción intrínseca
Eg (Ge)  0,7 eV
Eg (Si)  1,1 eV
T = 0 K Eg
E
Banda de conducción
Banda prohibida
Banda de valencia
T > 0 K
nn==··pp== nni i
n: nº electrones/m3
p: nº electrones/m3
ni: densidad intrínseca
de portadores
FFI-UPV.es

10.  Modelo de bandas de energía: Conducción intrínseca
 En un semiconductor perfecto, las concentraciones de electrones y
nn==··pp== nni i
de huecos son iguales:
T > 0 K
n: número de electrones (por unidad de volumen) en la banda de conducción
p: número de huecos (por unidad de volumen) en la banda de valencia
ni: concentración intrínseca de portadores
FFI-UPV.es
FFI-UPV.es
T=300 K GaAs Si Ge
ni (port./cm3) 1.8·106 1.5·1010 2.4·1013
Eg: GAP (eV) 1.42
1.12 0.66
Conductividad
(-1 cm-1)
2.4 10-9

11.  Estructura de un metal
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ +
+
+
+
+
+
+ +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1023 e- libres/cm3
 Estructura de un semiconductor
1013 e- libres/cm3

12.  Modelo de bandas de energía: Conducción intrínseca
 Dependencia con la Temperatura: Gráfico ni = f(T)
Eg

3
-3 50
)
m
18
10 40  Ge 32  Eg
 Eg 3
2kT
50
40
seca( 30
ni  AT e
ní
rt
ni
30
ón 20
ci
20
a r
oncent
10
Si
C 0
250 275 300 325 350 375 400
T (K)
Si
0
250 275 300 325 350 375 400
T (K)
10
Concentración intrínseca(1018 m-3)
Ge ni  AT2e 2kT
T > 0 K
2kT
n  f(t)  AT2e
i

13.  Semiconductor Intrínseco:
 Intrínseco indica un material semiconductor extremadamente puro  contiene
una cantidad insignificante de átomos de impurezas. En él se cumple:
 Semiconductor Extrínseco:
n =·p = ni n =·p = ni
 En la práctica nos interesa controlar la concentración de portadores en un
semiconductor (n o p).
 De este modo se pueden modificar las propiedades eléctricas: conductividad
 Para ello se procede al proceso de DOPADO:
 Un pequeño porcentaje de átomos del SC intrínseco se sustituye por átomos de otro
elemento (impurezas o dopantes).
 Estas impurezas sustituyen a los átomos de Silicio en el cristal formando enlaces.
 De este modo podemos
 Favorecer la aparición de electrones (Semiconductores Tipo N: donde n > p)
 Favorecer la aparición de huecos (Semiconductores Tipo P: donde p>n).

14.  Caso particular del Silicio
 Material extrínseco Tipo n:
 Se ha dopado con elementos pentavalentes
(As, P o Sb) que tienen 5 electrones en la
última capa: IMPUREZA DONADORA.
 Al formarse la estructura cristalina, el quinto
electrón no estará ligado en ningún enlace
covalente.
 Con muy poca energía (sólo la térmica, 300 K)
el 5º electrón se separa del átomo y pasa la
banda de conducción.
 La impureza fija en el espacio quedará
IONIZADA (cargada positivamente)
 En un semiconductor tipo n, los dopantes contribuyen a la
existencia “extra de electrones”, lo cuál aumenta
“enormemente” la conductividad debida a electrones .
http://enciclopedia.us.es/index.php/Semiconductor
nn >>>>·p·p

15.  Caso particular del Silicio
 Material extrínseco Tipo P:
 Cuando se sustituye un átomo de Si por un
átomo como (Boro, Galio) que tienen 3
electrones en la última capa: IMPUREZA
ACEPTADORA.
 Al formarse el cristal, los tres electrones forman
el enlace covalente con los átomos de Si, pero
queda un hueco (un enlace vacante).
 A ese hueco se pueden mover otros electrones
que dejarán a su vez otros huecos en la Banda de
Valencia.
 La impureza fija en el espacio quedará cargada
negativamente
http://enciclopedia.us.es/index.php/Semiconductor
 En un semiconductor tipo p, los dopantes contribuyen a la
existencia “extra de huecos” sin haber electrones en la banda
de conducción.
pp >>>>·n·n

16.  Caso particular del Silicio
 Donadores y aceptadores para el Si
1 2
H He
1,008 4,003
3 4 5 6 7 8 9 10
Li Be B C N O F Ne
6,941 9,012 10,811 12,011 14,007 15,999 18,998 20,183
11 12 13 14 15 16 17 18
Na Mg Al Si P S Cl Ar
22,990 24,305 26,982 28,086 30,974 32,064 35,453 39,948
19 20 ... 30 31 32 33 34 35 36
K Ca Zn Ga Ge As Se Br Kr
39,10 40,08 65,37 69,72 72,59 74,92 78,96 79,91 83,80
37 38 ... 48 49 50 51 52 53 54
Rb Sr Cd In Sn Sb Te I Xe
85,47 87,62 112,40 114,82 118,89 121,75 127,60 126,90 131,30
55 56 ... 80 81 82 83 84 85 86
Cs Ba Hg Tl Pb Bi Po At Rn
132,91 137,33 200,59 204,37 207,19 208,98 (210) (210) (222)
FFI-UPV.es

17. S+b
S+b
S+b
S+b
S+b
S+b
S+b
S+b
S+b
S+b
S+b
S+b
S+b
S+b
S+b
S+b
Impurezas grupo V
300ºK
 Resumiendo, semiconductores extrínsecos
Electrones libres Átomos de impurezas ionizados
 Material extrínseco Tipo N:
Impurezas del grupo V de la tabla periódica.
Con muy poca energía se ionizan (pierden
un electrón.
Los portadores mayoritarios de carga en un
semiconductor tipo N son Electrones libres
 Material extrínseco Tipo P
Impurezas del grupo III de la tabla periódica
A T=300 K todos los átomos de impureza
han captado un electrón.
A-l
A-l
A-l
A-l
A-l
A-l
A-l
A-l
A-l
A-l
A-l
A-l
A-l
A-l
A-l
A-l
300ºK
Huecos libres Átomos de impurezas ioniza
Los portadores mayoritarios de carga en un
semiconductor tipo P son Huecos: Actúan como
portadores de carga positiva.

18. FUENTES:
http://pelandintecno.blogspot.com/2014/04/semiconductores-intrinsecos-y.html
http://ocw.usal.es/eduCommons/ensenanzas-tecnicas/
electronica/contenido/electronica/Tema1_SemiConduct.pdf