Semiconductores Intrínsecos y Semiconductores Dopados

1. Elaborado por: Edgar Nolberto Talledo Larrain

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 silicio (Si) y el germanio (Ge). Debido a que, como veremos más adelante,
el comportamiento del silicio 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. En estos recaerá nuestra atención y es así que en vez de utilizar el modelo completo
del átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación simplificada (Figura 2) donde se resalta la zona de
nuestro interés.

3. La zona sombreada de la figura 2 representa de una manera simplificada a la zona sombreada de la figura 1.
Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser liberados de la fuerza de atracción del
núcleo son cuatro.

4. Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces
covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a
temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conducción
dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de
1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.
Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer, desde el estado energético
correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se le
denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de
recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece constante. Siendo "n"
la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:
ni = n = p
siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del tipo de elemento.
Ejemplos de valores de ni a temperatura ambiente (27 ºC):
ni(Si) = 1.5 1010cm-3
ni(Ge) = 2.4 1013cm-3
Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En los semiconductores, ambos tipos de portadores
contribuyen al paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos
corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la
debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2),
originando una corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y
magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.
http:es.wikipedia.org

6. Cuando el silicio se encuentra formado por átomos del tipo explicado en el apartado anterior, se dice que se
encuentra en estado puro o más usualmente que es un semiconductor intrínseco
Una barra de silicio puro está formada por un conjunto de átomos en lazados 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.
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.

7. 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.
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
Sentido del movimiento de un electrón y un hueco
en el silicio

8. Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio
enlazados entre sí) ....
Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese que cada átomo
comparte cada uno de sus electrones con otros cuatro átomos
A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le
denomina "Silicio tipo N"
En esta situación hay mayor número de electrones que de huecos.
Por ello a estos últimos se les denomina "portadores minoritarios"
y "portadores mayoritarios" a los electrones
Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso de dopado son
el arsénico, el antimonio y el fósforo
Está claro que si a un semiconductor dopado se le aplica tensión en
sus bornas, las posibilidades de que aparezca una corriente en el
circuito son mayores a las del caso de la aplicación de la misma
tensión sobre un semiconductor intrínseco o puro.
.... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4
electrones en su capa exterior) por un átomo de otro elemento que
contenga cinco electrones en su capa exterior, resulta que cuatro de
esos electrones sirven para enlazarse con el resto de los átomos de la
red y el quinto queda libre.

9. Cuando se agregan impurezas pentavalentes.
Pentavalentes se refieren a los
semiconductores con 5 electrones en su
última capa de valencia, obviamente estos
últimos electrones es utilizado para ligarse
con otros átomos, que gráficamente forman
una estructura cristalina como lo conocemos
en la realidad.
A los materiales que se utilizan en el dopado
tipo N, se le denominan impurezas, porque
esta será combinada con un material
cristalino puro y semiconductor base (Puede
ser el Silicio o el Germanio).
Las impurezas cuentas con 5 electrones
denominados pentavalentes y los más
utilizados en la electrónica son: Fósforo (P),
Arsénico (As) y el Antimonio (Sb). Y a estos
se les denomina átomos donadores con cinco
electrones en la última capa de valencia.

10. Cuando añadimos al semiconductor base
(Silicio) una impureza externa, para este
caso utilizaremos el arsénico, cada átomo
se unirán con el más cercano, para el caso
del arsénico, sus cinco electrones de
valencia se ligarán con los 4 electrones de
valencia del Silicio. Entonces sólo cuatro
estarán unido mediante el enlace
covalente, pero sobrará uno porque eran
cinco electrones, este electrón sobrante
quedará libre en la estructura cristalina.
Se puede apreciar en esta situación el dopado tipo N, cuando el átomo donador pentavalente se
combina con el Silicio y da lugar a electrones casi libres, que a una temperatura de ambiente mínima
estos se desplazan como un electrón de conducción más.

11. El dopado del tipo N, contiene un material
semiconductor cristalino Puro (intrínseco), al
cual le agregamos impureza externa con 5
electrones en la última capa de valencia, que al
combinarlos formarán una estructura
combinada, pero adicionalmente por cada
átomo impuro añadido existirá un electrón
suelto, que es propicio a saltar a la banda de
conducción con la mínima energía
proporcionada.
Entonces los semiconductores extrínsecos de
tipo N, es un proceso que artificialmente
modificamos al semiconductor base,
añadiéndole impurezas donadoras externas,
para luego tener en la combinación electrones
sobrantes, que conducirán la electricidad
rápidamente, o mejor dicho para que sean
conductores de corriente. O al aplicarle
energías bajas, sean atraídos hacia la banda de
conducción y sean buenos conductores.

12. Cuando se le aumenta de temperatura como aquí a 300°K sucederá
que los electrones sobrantes de los átomos donadores se
desprenderán y por lo tanto pasarán a la banda de conducción, al que
nosotros le conocemos como corriente eléctrica. Entonces en este de
dopado de tipo N, existirán más electrones libres (portadores
mayoritarios) y los minoritarios serían los huecos o portadores
minoritarios. También se observa a los huecos térmicos y electrones
térmicos, esto sucederá cuando la temperatura sigue en aumento, se
romperán enlaces y desprenderán más electrones y que estos harán
aumentar la conductividad a un mayor grado.
Entonces cuando se desprenden el electrón libre del átomo donador
origina que este átomo adquiera una carga positiva, pues sabemos
que el núcleo no es modificado y a la vez el átomo donador pierde un
electrón menos. Por lo tanto se crea un Ion inmóvil cargado
positivamente, es decir no contribuirá a la conducción.
El fenómeno de generación de pares electrón – hueco se seguirá
produciendo, por lo que también aparecerán huecos en el material,
que estos serán los portadores minoritarios.
Entonces los semiconductores con impurezas donadores se
denominan intrínsecos del tipo N (negativo) en la que encontraremos
una concentración mayor de electrones (-e) que los huecos (+h). En
esta otra gráfica se observa de otro modo la misma situación.

13. Se ha dicho que a la estructura
cristalina pura, el Sillico de 4 electrones
en la capa de valencia, se añade
impurezas externas con 5 electrones en
la capa de valencia, pero estos serán en
menor cantidad, en otras palabras
habrá más átomos de Sillico que el de la
impureza, entonces no habrá
influencias entre los átomos
donadores. Por esta razón la estructura
cristalina se mantendrá acorde a los
átomos de Silicio, y también se
mantendrán en igualdad sus niveles de
energía entre átomos diferentes en la
estructura cristalina y esto permitirá
generar un estado permitido de
electrones cerca de la banda de
conducción. La energía necesaria para
alcanzar la banda de conducción se
consigue a temperatura de ambiente.

14. En este tipo de dopaje del tipo N (negativo), porque tiene mayores electrones que huecos, los
electrones están cerca de la banda de conducción, y si le conectamos energía externa, los electrones
tienden a saltar a la banda de conducción y en este caso tendremos un buen conductor. Podemos
observar que los electrones suelen desplazarse a la banda de conducción según se aumente de
temperatura al semiconductor y por lo tanto conduce corriente o calor.

15. Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados
entre sí) ....
Enlace covalente de átomos de
germanio, obsérvese que cada átomo
comparte cada uno de sus electrones
con otros cuatro átomos
A esta red de silicio dopada con esta clase de impurezas se
le denomina "silicio tipo P"
.... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones
en su capa exterior) por un átomo de otro elemento que contenga tres
electrones en su capa exterior, resulta que estos tres electrones llenarán
los huecos que dejaron los electrones del átomo de silicio, pero como
son cuatro, quedará un hueco por ocupar. Ósea que ahora la sustitución
de un átomo por otros provoca la aparición de huecos en el cristal de
silicio. Por tanto ahora los "portadores mayoritarios" serán los huecos y
los electrones los portadores minoritarios.

16. Cuando a un material semiconductor en
estado puro, en este caso el Silicio, se le
agregan impurezas externas de otro material
semiconductor. Para este caso se agregan
cuidadosamente la impureza que tenga 3
electrones en la última capa de valencia.
Sabemos que el átomo del Silicio cuenta con
4 electrones en la última capa de valencia,
que lo usa para unirse internamente y para
con otros materiales semiconductores.
En esta etapa a las impurezas se le
denominan “Impurezas aceptadoras” y a sus
electrones de la última capa de valencia, se le
denomina “Trivalentes”. Estas impurezas
pueden ser el Boro (B), Galio (Ga), Indio (In)
o el Aluminio (Al).
Representación gráfica del átomo del Boro, en la parte de color celeste,
es la parte interna del átomo, y esto no es usado para interactuar
externamente. En el funcionamiento de los niveles de energía del átomo,
este utiliza la última capa de valencia para interactuar con otros y
vemos en la gráfica que el Boro cuenta con 3 electrones de valencia, por
lo tanto es trivalente.

17. Cuando al Silicio le añadimos
átomos del Boro, se dice que
un Semiconductor esta dopado
de tipo P. Recordar que no sólo
el Boro es utilizado, pueden
ser el Galio u otros con 3
electrones de valencia.
Al combinar los átomos del
Silicio con el Boro, sucede que
habrá un hueco en la capa de
valencia. Esto es porque el
Silicio tiene 4 electrones
uniéndose con los demás, pero
al agregar el Boro, lo cual tiene
3 electrones, faltará un
electrón para unirse con el
Silicio, y a este espacio
sobrante se le denomina hueco
(carga positiva).
En la gráfica se observa que el Boro sólo con 3 electrones en la capa
de valencia ligada con el Silicio, pero el Silicio tiene 4 electrones,
entonces queda un hueco libre (h+). Esta representación sucede
cuando se encuentra temperatura 0°K.

18. Los niveles de energía permanecen estables en
temperaturas 0°K. Al aumentarle de
temperatura la situación cambia en el
funcionamiento de los niveles de energía en el
dopaje de tipo P.
A temperatura de ambiente habrá movimiento
de electrones (-e), que seguirán una dirección,
y según avancen cargarán a los huecos
negativamente y a la vez dejarán huecos (+h) y
gracias al aumento de temperatura irán
saliendo de la banda de valencia y si continua
así pasarán a la banda de conducción.
Entendiéndose entonces al dopado tipo P, como
un proceso en la cual se añaden impurezas
trivalentes (tres electrones en la última capa de
valencia), y producen la aparición de huecos en
el semiconductor base (Silicio o Germanio) y
los huecos se cargarán positivamente (+h) y
por defecto facilitara el movimiento de
electrones que pasarán por los huecos hacia la
banda conducción y posteriormente a la banda
conducción.
En la gráfica se aumentado de temperatura a 300°K y se observa
claramente el movimiento de los electrones hacia los huecos dejados
por la impureza trivalente, esto naturalmente dejará más huecos en el
Silicio y los electrones seguirán moviéndose sucesivamente, llenando
los huecos y agitándose constantemente.

19. Se dará entonces que habrá portadores
positivos mayoritariamente, que vienen
hacer los huecos (+h) y los portadores
minoritarios vendrían hacer los electrones
libres (-e), que son los que aparecerán a
causa de las rupturas de enlaces covalentes.
También se observa que el átomo trivalente
(aceptadores) gana un electrón y este
originará una carga negativa, y por lo que el
átomo interno no es modificado, entonces se
creará un Ion negativo inmóvil, es decir no
contribuye a la conducción. En la siguiente
gráfica se observa de otro modo al
semiconductor tipo P.

20. Como se ha visto hasta
ahora el proceso de
dopado tipo P, es cuando
se agregan impurezas
trivalentes a los átomos
del tetravalentes (4
electrones y puede ser el
Germanio o el Silicio), por
lo tanto hemos visto su
funcionamiento interno y
su comportamiento frente
a determinado fenómeno,
como este en este caso la
temperatura, por lo tanto
ahora analizaremos
mediante un diagrama de
bandas continuando el
mismo concepto.

21. El Boro genera un estado permitido (niveles de aceptadores) en la banda prohibida, pero cerca de la banda de
valencia. La energía, para que los electrones pasan de esta forma está muy cerca a temperatura ambiente,
genera un hueco en la banda de Valencia al producirse el paso de electrones a la banda prohibida, las
posibilidades de pasar a la banda conducción serán cada vez mayores, y estos a la vez dejan huecos en la banda
de valencia.

22. Hasta ahora hemos tratado los materiales
Semiconductores más utilizados y conocidos en la
electrónica, pero existen algunos más, pero poco
conocidos, pero que también son de utilidad, por ello
veremos un proceso de dopado del Selenio, Arsénico y
Cadmio, que lo ilustraremos mediante gráfica con su
explicación respectiva.
Ga= Galio Cd=Cadmio
As= Arsénico CdAs= Arseniuro de Cadmio
Él Se con 6 electrones de valencia, es un donador. El Cd
con 2 es un aceptor, transforman al AsGa en un
semiconductor extrínseco de tipo N o P
respectivamente, ver gráfica.
En el AsGa intrínseco el octeto de electrones
correspondientes a los 4 enlaces se forma mediante la
aportación de 5 electrones de As y 3 electrones de Ga.
Él Se, sustituye al As, utiliza 5 de sus 6 electrones de
valencia en formar 4 enlaces con el Ga y el sexto se
deslocaliza y queda móvil por la red.
El Cd sustituye al Ga, utiliza sus 2 electrones de valencia
en formar dos enlaces completos con el Ga. Queda un
enlace incompleto, que es móvil por la red, genera un
Hueco.

23. Los semiconductores dopados se representan indicando dentro de los mismos el tipo de portadores
mayoritarios.
Semiconductor tipo N Semiconductor tipo P
No siempre el índice de dopado de un semiconductor es el mismo, puede ser que este "poco dospado", "muy
dopado", etc.
Es norma utilizar el signo (+) para indicar que un semiconductor está fuertemente dopado.
Semiconductor tipo N fuertemente Semiconductor tipo N fuertemente
dopado dopado
Todos los componentes electrónicos en estado sólido que veremos en adelante (transistores, diodos,
tiristores) no son ni más y menos que un conjunto de semiconductores de ambos tipos ordenados de
diferentes maneras.

24. Gracias