Código Civil de la República Bolivariana de Venezuela
Semiconductores
1. Ingeniería de Sistemas
Curso: Física Electrónica
Ciclo: 4to
Alumno: Carlos Sáenz Lazo
Profesor: Rodríguez Cahuana Roberto
2014
2. Los semiconductores son materiales cuya conductividad varía con la
temperatura, pudiendo comportarse como conductores o como aislantes. Resulta que se
desean variaciones de la conductividad no con la temperatura sino controlables
eléctricamente por el hombre. Para conseguir esto, se introducen átomos de otros
elementos en el semiconductor. Estos átomos se llaman impurezas y tras su
introducción, el material semiconductor presenta una conductividad controlable
eléctricamente.
Elemento Grupos
Electrones en
la última capa
Cd 12 2 e-
Al, Ga, B, In 13 3 e-
Si, C, Ge 14 4 e-
P, As, Sb 15 5 e-
Se, Te, (S) 16 6 e-
El elemento semiconductor más usado es el silicio, el segundo el germanio, aunque
idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos 12 y
13 con los de los grupos 16 y 15 respectivamente (GaAs, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y
SCd). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica
común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración
electrónica s²p².
SEMICONDUCTORES
3. 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.
Semiconductor Intrínseco
Como se puede observar en la ilustración, en el caso de los
semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida
es mucho más estrecho en comparación con los materiales
aislantes. La energía de salto de banda (Eg) requerida por los
electrones para saltar de la banda de valencia a la de conducción
es de 1 eV aproximadamente. En los semiconductores de silicio
(Si), la energía de salto de banda requerida por los electrones es
de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.
4. El cristal de silicio es diferente de un aislante porque a cualquier temperatura por
encima del cero absoluto, existe una probabilidad finita de que un electrón en la red
sea golpeado y sacado de su posición, dejando tras de sí una deficiencia de electrones
llamada "hueco". Si se aplica un voltaje, entonces tanto el electrón como el hueco
pueden contribuir a un pequeño flujo de corriente.
La conductividad de un semiconductor puede ser modelada en términos de la teoría de
bandas de sólidos. El modelo de banda de un semiconductor sugiere que, a
temperaturas ordinarias hay una posibilidad finita de que los electrones pueden
alcanzar la banda de conducción, y contribuir a la conducción eléctrica.
El término intrínseco aquí, distingue entre las propiedades del silicio puro "intrínseco", y
las propiedades radicalmente diferentes del semiconductor dopado tipo N o tipo P.
Semiconductor Intrínseco
Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por
átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la
ilustración, los átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última
órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar
ocho electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el
cristal de silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.
5. 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.
Semiconductor Intrínseco
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.
6. 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.
Semiconductor Intrínseco
7. Semiconductor Intrínseco
En resumen:
Cuando el silicio se encuentra en estado puro es un semiconductor intrínseco. Una barra de
silicio puro está formada por un conjunto de átomos enlazados unos con otros según una
determinada estructura geométrica que se conoce como red cristalina.
Si en estas condiciones inyectamos energía desde el exterior, algunos de esos electrones de
los órbitas externas dejarán de estar enlazados y podrán moverse. Lógicamente si un
electrón se desprende del átomo, este ya no está completo, decimos que está cargado
positivamente, pues tiene una carga negativa menos, o que ha aparecido un hueco.
Asociamos entonces el hueco a una carga positiva o al sitio que ocupaba el electrón.
El átomo siempre tendrá la tendencia a estar en su
estado normal, con todas sus cargas, por lo tanto en
nuestro caso, intentará atraer un electrón de otro átomo
para rellenar el hueco que tiene.
8. Semiconductor Intrínseco
En resumen:
Toda inyección de energía exterior produce pues un proceso continuo que podemos
concretar en dos puntos:
• Electrones que se quedan libres y se desplazan de un átomo a otro a lo largo de la
barra del material semiconductor de silicio.
• Aparición y desaparición de huecos en los diversos átomos del semiconductor.
Queda así claro que el único movimiento real existente dentro de un semiconductores el de
electrones. Lo que sucede es que al aparecer y desaparecer huecos, "cargas positivas", en
puntos diferentes del semiconductor, parece que estos se mueven dando lugar a una
corriente de cargas positivas. Este hecho, movimiento de huecos, es absolutamente falso,.
Los huecos no se mueven, sólo parece que lo hacen.
Ahora bien, para facilitar el estudio de los semiconductores hablaremos de corriente de
huecos (cargas positivas), pues nos resulta más cómodo y los resultados obtenidos son los
mismos que los reales.
9. Semiconductor Extrínseco
Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce
cierta alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente
eléctrica por su cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura
molecular del semiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o de
germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas".
Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos
semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última
órbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en
su última órbita [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el
silicio o el germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán
capaces de conducir la corriente eléctrica.
10. Semiconductor Extrínseco
En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el
uso de la industria electrónica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente
relativamente barato de obtener. La materia prima empleada para fabricar cristales
semiconductores de silicio es la arena, uno de los materiales más abundantes en
la naturaleza. En su forma industrial primaria el cristal de silicio tiene la forma de
una oblea de muy poco grosor (entre 0,20 y 0,25 mm aproximadamente), pulida
como un espejo.
11. Semiconductor Extrínseco
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.
Según la impureza (llamada dopante) distinguimos:
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).
13. Semiconductor Extrínseco
El Dopado de Semiconductores
La adición de un pequeño porcentaje de átomos extraños en la red cristalina
regular de silicio o germanio, produce unos cambios espectaculares en sus
propiedades eléctricas, dando lugar a los semiconductores de tipo n y tipo p.
Impurezas pentavalentes
Los átomos de impurezas con 5 electrones de valencia, producen semiconductores
de tipo n, por la contribución de electrones extras.
Impurezas trivalentes
Los átomos de impurezas con 3 electrones de valencia, producen semiconductores
de tipo p, por la producción de un "hueco" o deficiencia de electrón.
14. Semiconductor Extrínseco
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.
15. Semiconductor Extrínseco
El diodo
El diodo es un componente electrónico que consiste simplemente en la unión de
dos cristales semiconductores extrínsecos, uno tipo N y otro tipo P.
Al unirlos, parte del exceso de electrones del tipo N pasa al cristal de tipo P, y parte
de los huecos del tipo P pasan al cristal tipo P. Creándose en la unión una franja
llamada zona de transición que tiene un campo eléctrico que se comporta como
una barrera que se opone al paso de más electrones desde la zona N hacia la
zona P y de huecos desde la zona P a la zona N.
