Para todos los estudiantes que busquen información relacionada con los materiales semiconductores...

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Universidad Tecnológica del Sureste de Veracruz.
Alumno: José Antonio Florentino Pérez.
Matricula: 18190137 Grupo: 702 Despresurizado
Carrera: TSU Química Área Industrial.
Materia: Estructura y propiedades de los materiales.
Maestro: Mtra. Saraí Nintai Orozco Gracia.
Tarea: R.A. 3er Parcial Materiales semiconductores.
Ciudad: Coatzacoalcos, Veracruz a 26 de noviembre de 2020.

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Índice Pagina
Presentación………………………………………………………………………1
Índice……………………………………………………………………………… 2
Introducción………………………………………………………………………. 3
Materiales conductores…………………………………………………………. 4
Estructura cristalina de los materiales conductores…………………………. 7
Estructura atómica de semiconductores elementales: Silicio y Germanio…10
Estructura atómica de dopantes: Boro, Galio, Fósforo y Carbono………… 11
Comportamiento de los Semiconductores Tipo N y P………………………. 14
La unión PN polarizada (Polarización directa y polarizada inversa ………. 16
Bibliografía………………………………………………………………………...19

3. 3 | P á g i n a
Introducción
Un semiconductor es un material intermedio entre un conductor y un aislante.
El cobre es un buen conductor porque posee un electrón en su orbital de valencia
“último capa” que es atraído muy débilmente por el núcleo y es posible
arrancárselo fácilmente aplicando una fuerza externa “electrón libre”. Un aislante
por el contrario es un material que no tiene electrones libres y presenta una gran
resistencia al movimiento de los electrones.
Los materiales semiconductores son la piedra angular sobre la que se basa
toda la industria microelectrónica actual. Conforman los componentes básicos
de todos los microcircuitos. Debido a la creciente necesidad de sistemas cada
vez mas rápidos y complejos, los semiconductores se estudian exhaustivamente,
y constantemente se obtienen mejoras en los ya conocidos y, se inventan nuevos
tipos de semiconductores. Ya sea por su alta velocidad de respuesta, por su alta
o baja potencia, por su alta eficiencia o su nueva funcionalidad, el número y clase
de semiconductor utilizados han ido en aumento en las últimas décadas.
Podemos decir que hoy en día existen mas de 100 dispositivos semiconductores.
Por mencionar solo algunos de ellos, existen los Leds (cristales luminiscentes),
láseres, celdas solares, diodos, transistores, resistores, capacitores,
disparadores, dispositivos de memoria, fuentes de luz, moduladores de campo
magnético, dispositivos fotonicos, termistores, detectores de gas, etc.
La propiedad básica que hace de los materiales semiconductores el material
idóneo en la industria microelectrónica, es la posibilidadque se tiene de modificar
sus propiedades de conducción eléctrica: es decir, mediante mecanismos de
fabricación que incluyen la introducción de átomos extraños (o impurezas), el
mismo material puede volverse mas o menos conductor a voluntad.

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Materiales conductores.
Los materiales conductores son aquellos que ofrecen poca resistencia al paso
de la electricidad. Los electrones pueden circular libremente a través del material
porque están débilmente unidos a los átomos y, por lo tanto, pueden conducir la
electricidad. Por ejemplo: aluminio, bronce, níquel, oro.
Químicamente, el proceso que ocurre con los materiales conductores es que
algunos electrones pasan libremente de un átomo a otro por un proceso de
diferencia de potencial entre los extremos del conductor. Este movimiento de los
electrones es la corriente eléctrica.
Los conductores, entonces, son los que cuentan con un gran número de
electrones libres que se mueven a través del material, transmitiendo con mayor
facilidad la carga de un objeto a otro. Para describir estos materiales, en muchas
ocasiones se realiza la comparación con una tubería por la que pasa un fuerte
caudal de agua.

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Los mecanismos de conductividad no son idénticos en los tres estados de la
materia. En el caso de los líquidos, la conductividad se relaciona con la presencia
de sales en solución, mientras que en los sólidos la conductividad tiene que ver
con las bandas de valencia y la formación de una nube de electrones.
A un material se le conoce como buen conductor por las siguientes
características químicas:
 Buena conductividad.
 Estructura atómica.
 Núcleos pegados.
 Equilibrio electrostático.
Los conductores eléctricos igualmente tienen características físicas que los
definen y son las siguientes:
 Maleables.
 Resistentes.
 Capa aislante.
De acuerdo a la forma en la que se realiza y fundamenta la conducción, los
materiales de este tipo suelen clasificarse de la siguiente manera:
Conductores metálicos. Son los que tienen una conducción electrónica, ya
que los portadores de las cargas son electrones libres. Esto ocurre porque a este
grupo pertenecen los metales y las aleaciones.

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Conductores electrolíticos. Son los que tienen una conducción de tipo
iónica, donde las sustancias se disocian total o parcialmente formando iones
positivos o negativos, que son los portadores de cargas. Aquí el paso de la
corriente eléctrica se produce en consonancia con un desplazamiento de materia
y con una reacción química.
Materiales conductores gaseosos. Son aquellos gases que han sido
ionizados (han perdido o ganado electrones) y con ello han adquirido la
capacidad de conducir la electricidad. Si bien no se utilizan con frecuencia, el
aire es un gas y en ciertas condiciones es un gran conductor de la electricidad,
lo que se evidencia en los rayos y las descargas eléctricas de ese tipo.
Ejemplos de materiales conductores:
Plata pura (*) Galio Wolframio
Cobre endurecido (**) Níquel Hierro
Aluminio Grafito Hierro colado
Zinc puro Tantalio Cobre
Bronce con fósforo Bronce Oro
Latón Metal Galvanizado Aire ionizado
Acero
(*) Plata Pura: Elemento conocido por ser el mejor conductor de la electricidad.
(**) Cobre endurecido: Si bien no tan efectivo como la plata, es más económico
y por tanto más utilizado.

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Estructura cristalina de los materiales conductores.
Plata. Es un metal de color blanco característico. La plata es el más blando
de todos los metales y el de mayor conductividad térmica y eléctrica. Es un metal
de transición blanco, brillante, blando, dúctil y maleable. Su resistencia a los
agentes corrosivos la hace idónea para la fabricación de algunos recipientes
especiales o como recubrimiento de otros metales.
Estructura cristalina: Cúbica centrada en las caras.
Cobre. El cobre es un metal dúctil muy abundante sobre la corteza terrestre,
se encuentra mezclado con otros metales (Au, Ag, Bi y Pb) y con sulfuros,
sulfatos, carbonatos y óxidos minerales. Debido a su gran ductilidad y alta
conductividad eléctrica, la aplicación industrial más usual es la fabricación de
cables para conducción eléctrica, los cuales se pueden fabricar de cualquier
diámetro.
Estructura cristalina: Cubica centrada en las caras.

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Oro. Elemento químico, de símbolo Au, es un metal muy denso, blando y de
color amarillo intenso. El oro se clasifica como metal pesado y noble, el oro puro
es el más maleable y dúctil de todos los metales. Además, es un buen conductor
del calor y de la electricidad, y no le afecta el aire ni la mayoría de los agentes
químicos. Tiene una alta resistencia a la alteración química por parte del calor,
la humedad y la mayoría de los agentes corrosivos.
Estructura cristalina: Cúbica centrada en las caras.
Aluminio. El aluminio es un elemento químico, su símbolo es Al y su número
atómico 13. Se trata de un metal no ferromagnético. En estado natural se
encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal
se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por
transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación
en aluminio metálico mediante electrólisis. Tiene una elevada conductividad
eléctrica comprendida entre 34 y 38 m/ (Ω mm2) y una elevada conductividad
térmica (80 a 230 W/(m•K)).
Estructura cristalina: Cúbica centrada en las caras.

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Bronce. El bronce es toda aleación de cobre y estaño, en la que el primero
constituye su base y el segundo aparece en una proporción del tres al veinte por
ciento. Puede incluir otros metales. las aleaciones de bronce son superiores a
las de hierro en casi todas las aplicaciones. Por su elevado calor específico, el
mayor de todos los sólidos, se emplea en aplicaciones de transferencia del calor.
Estructura cristalina: Cúbica centrada en las caras.
Hierro. Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades
magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica.
Es extremadamente duro y denso. Tiene una gran densidad, es un material
magnético, tiene una conductividad eléctrica baja.
Estructura cristalina: Cúbica centrada en las caras.

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Estructura atómica de semiconductores elementales: Silicio y Germanio
Para poder elegir un elemento como semiconductor, se tiene que tener en
cuenta ciertos factores:
1.- La cristalinidad. Es un factor esencial, dependiendo de la cristalinidad se
podrá ejecutar un método u otro para extraer y utilizar el elemento. La
cristalinidad se refiere a la disposición que tienen los átomos en la estructura
cristalina. El silicio se puede encontrar en tres estados cristalinos:
monocristalino, policristalino y amorfo.
2.- Absorción. Nos referimos al coeficiente de absorción que tienen los
elementos sobre la luz, o, mejor dicho, sobre unas longitudes de onda. Si un
material dispone de un coeficiente pequeño significara que tiene poca absorción,
por esto las células de silicio cristalino tienen un espesor considerable, porque
su coeficiente no es elevado.
3.- El coste. Por supuesto, tenemos que tener en cuenta este factor. Siempre
estará estrechamente relacionado con la extracción del material, su
manipulación, los métodos para purificarlos, etc.
Estructura Atómica Silicio.
El silicioes un elemento con una gran cantidad de aplicaciones. Es el segundo
elemento más abundante en la corteza terrestre (después del oxígeno) con un
porcentaje de peso del 25,7%. Está presente en multitud de materiales, tan
diversos como la arena, la arcilla, el vidrio o el hueso.
Se utiliza en aleaciones, en la preparación de las siliconas, en la industria
cerámica y debido a que es un material semiconductor muy abundante, tiene un
interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como material
básico para la creación de obleas o chips en los que se pueden implementar
transistores, pilas solares, y una gran variedad de circuitos electrónicos.

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Estructura atómica del germanio.
Elemento químico con número atómico 32, y símbolo Ge perteneciente al
grupo 4 de la Tabla Periódicade los elementos químicos. Por sus características
semiconductoras es utilizado junto al Silicio es utilizado en la fabricación de
dispositivos electrónicos.
Es un metaloide sólido duro, cristalino, de color blanco grisáceo lustroso,
quebradizo, que conserva el brillo a temperaturas ordinarias. Presenta la misma
estructura cristalina que el diamante y resiste a los ácidos y álcalis. Forma gran
número de compuestos organometálicos y es un importante material
Semiconductor utilizado en Transistores y Fotodetectores.
Estructura atómica de dopantes: Boro, Galio, Fósforo y Carbono
El dopaje de los semiconductores. El dopaje de semiconductores es la
introducción intencional de impurezas en un semiconductor intrínseco. Los
dopantes que producen los cambios controlados deseados se clasifican como
aceptores o donantes de electrones. Dosimetría de radiación.
Un semiconductor dopado, es un semiconductor, que fue dopado
intencionalmente con el fin de modular sus propiedades eléctricas, ópticas y
estructurales. En el caso de detectores de semiconductores de radiación
ionizante, el dopaje es la introducción intencional de impurezas en un
semiconductor intrínseco con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Por
lo tanto, los semiconductores intrínsecos también se conocen como
semiconductores puros o semiconductores de tipo i.
Estructura atómica del Boro. Elemento químico, B, número atómico 5, peso
atómico 10.811. Tiene tres elementos de valencia y se comporta como no metal.
Se clasifica como metaloide y es el único elemento no metálico con menos de
cuatro electrones en la capa externa.
El boro y sus compuestos tienen muchas aplicaciones en diversos campos,
aunque el boro elemental se emplea principalmente en la industria metalúrgica.
Su gran reactividad a temperaturas altas, en particular con oxígeno y nitrógeno,

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lo hace útil como agente metalúrgico degasificante. Se utiliza para refinar el
aluminio y facilitar el tratamiento térmico del hierro maleable. El boro incrementa
de manera considerable la resistencia a alta temperatura, característica de las
aleaciones de acero. El boro elemental se emplea en reactores atómicos y en
tecnologías de alta temperatura. Las propiedades físicas que lo hacen atractivo
en la construcción de misiles y tecnología de cohetes son su densidad baja,
extrema dureza, alto punto de fusión y notable fuerza tensora en forma de
filamentos.
Estructura atómica del Galio. Elemento químico, símbolo Ga, número
atómico 31 y peso atómico 69.72. lo descubrió Lecoq de Boisbaudran en Francia
en 1875. Tiene un gran intervalo de temperatura en el estado líquido, y se ha
recomendado su uso en termómetros de alta temperatura y manómetros. En
aleación con plata y estañó, el galio suple en forma adecuada la amalgama en
curaciones dentales; también sirve para soldar materiales no metálicos,
incluyendo gemas o amtales. El arseniuro de galio puede utilizarse en sistemas
para transformar movimiento mecánico en impulsos eléctricos. Los artículos
sintéticos superconductores pueden prepararse por la fabricación de matrices
porosas de vanadio o tántalo impregnados con hidruro de galio. El galio ha dado
excelentes resultados como semiconductor para uso en rectificadores,
transistores, fotoconductores, fuentes de luz, diodos láser o máser y aparatos de
refrigeración.

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Estructura atómica del fosforo. El fósforo es un elemento químico de
aspecto incoloro, rojo o blanco plateado con número atómico 15. Su símbolo es
P y pertenece al grupo de los no metales y su estado habitual en la naturaleza
es sólido. El fósforo está situado en la posición 15 de la tabla periódica.
Una de las propiedades de los elementos no metales como el fósforo es por
ejemplo que los elementos no metales son malos conductores del calor y la
electricidad. El fósforo, al igual que los demás elementos no metales, no tiene
lustre. Debido a su fragilidad, los no metales como el fósforo, no se pueden
aplanar para formar láminas ni estirados para convertirse en hilos.
Estructura atómica del carbono. El carbono es un elemento químico. Su
símbolo es C y su número atómico es el 6. Es el elemento fundamental de la
química orgánica, se conocen cerca de 16 millones de compuestos de carbono,
aumentando este número en unos 500.000 compuestos por año. Dependiendo
de las condiciones de formación, puede encontrarse en la naturaleza en distintas
formas alotrópicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante.
El principal uso industrial del carbono es como componente de hidrocarburos,
especialmente los combustibles fósiles (petróleo y gas natural). Del primero se
obtienen, por destilación en las refinerías, gasolinas, keroseno y aceites, siendo
además la materia prima empleada en la obtención de plásticos. El segundo se
está imponiendo como fuente de energía por su combustión más limpia.

14. 14 | P á g i n a
Comportamiento de los Semiconductores Tipo N y P
En general, hay dos tipos de átomos dopantes que dan como resultado dos
tipos de semiconductores extrínsecos. Semiconductores tipo n y tipo p.
En general, hay dos tipos de átomos dopantes que dan como resultado dos
tipos de semiconductores extrínsecos. Estos dopantes que producen los
cambios controlados deseados se clasifican como aceptores o donantes de
electrones y los semiconductores dopados correspondientes se conocen como:
 Semiconductores de tipo n.
 Semiconductores tipo p.
Los semiconductores extrínsecos son componentes de muchos dispositivos
eléctricos comunes, así como de muchos detectores de radiaciónionizante. Para
estos fines, un diodo semiconductor (dispositivos que permiten la corriente en
una sola dirección) generalmente consta de semiconductores tipo p y tipo n
colocados en unión entre sí.
Semiconductores de tipo n. Un semiconductor extrínseco que ha sido
dopado con átomos donadores de electrones se llama semiconductor de tipo n,
porque la mayoría de los portadores de carga en el cristal son electrones
negativos. Como el silicio es un elemento tetravalente, la estructura cristalina
normal contiene 4 enlaces covalentes de cuatro electrones de valencia. En el
silicio, los dopantes más comunes son los elementos del grupo III y del grupo V.
Los elementos del grupo V (pentavalente) tienen cinco electrones de valencia, lo
que les permite actuar como donantes. Eso significa que la adición de estas
impurezas pentavalentes como el arsénico, el antimonio o el fósforo contribuye
a la formación de electrones libres, lo que aumenta en gran medida la
conductividad del semiconductor intrínseco. Por ejemplo, un cristal de silicio
dopado con boro (grupo III) crea un semiconductor de tipo p, mientras que un
cristal dopado con fósforo (grupo V) da como resultado un semiconductor de tipo
n.

15. 15 | P á g i n a
Los electrones de conducción están completamente dominados por la
cantidad de electrones donadores. Por lo tanto:
El número total de electrones de conducción es aproximadamente igual al
número de sitios donantes, n≈N D.
La neutralidad de carga del material semiconductor se mantiene porque los
sitios donantes excitados equilibran los electrones de conducción. El resultado
neto es que el número de electrones de conducción aumenta, mientras que el
número de agujeros se reduce. El desequilibrio de la concentración de
portadores en las bandas respectivas se expresa por el número absoluto
diferente de electrones y agujeros. Los electrones son portadores mayoritarios,
mientras que los agujeros son portadores minoritarios en material de tipo n.
Semiconductores tipo p. Un semiconductor extrínseco que ha sido dopado
con átomos aceptores de electrones se llama semiconductor de tipo p, porque la
mayoría de los portadores de carga en el cristal son agujeros de electrones
(portadores de carga positiva). El silicio semiconductor puro es un elemento
tetravalente, la estructura cristalina normal contiene 4 enlaces covalentes de
cuatro electrones de valencia. En el silicio, los dopantes más comunes son los
elementos del grupo III y del grupo V. Los elementos del grupo III (trivalentes)
contienen tres electrones de valencia, lo que hace que funcionen como aceptores
cuando se usan para dopar silicio. Cuando un átomo aceptor reemplaza un
átomo de silicio tetravalente en el cristal, se crea un estado vacante (un agujero
de electrones). Un agujero de electrones (a menudo simplemente llamado
agujero) es la falta de un electrón en una posición en la que uno pudiera existir
en un átomo o en una red atómica. Es uno de los dos tipos de portadores de
carga que son responsables de crear corriente eléctrica en materiales
semiconductores. Estos agujeros cargados positivamente pueden moverse de
un átomo a otro en materiales semiconductores a medida que los electrones
abandonan sus posiciones. La adición de impurezas trivalentes como boro,
aluminio o galio. A un semiconductor intrínseco crea estos agujeros de
electrones positivos en la estructura. Por ejemplo, un cristal de siliciodopado con
boro (grupo III) crea un semiconductor de tipo p, mientras que un cristal dopado
con fósforo (grupo V) da como resultado un semiconductor de tipo n.

16. 16 | P á g i n a
El número de agujeros de electrones está completamente dominado por el
número de sitios aceptores. Por lo tanto:
El número total de orificios es aproximadamente igual al número de sitios
donantes, p ≈ N A.
La neutralidad de carga de este material semiconductor también se mantiene.
El resultado neto es que aumenta el número de agujeros de electrones, mientras
que se reduce el número de electrones de conducción. El desequilibrio de la
concentración de portadores en las bandas respectivas se expresa por el número
absoluto diferente de electrones y agujeros. Los agujeros de electrones son
portadores mayoritarios, mientras que los electrones son portadores minoritarios
en material tipo p.
La unión PN polarizada (Polarización directa y polarizada inversa).
Unión PN. Una unión PN consta de un único cristal de material semiconductor
que está dopado mediante la unión de dos materiales semiconductores de tipo
N en un lado y de tipo P en el otro.
La unión PN no polarizada. La unión PN es la frontera donde se unen las
regiones N y P, por lo que a esta estructura se la llama también diodo de unión.
Los electrones libres del lado N tienden a dispersarse en cualquier dirección,
algunos atravesando la unión hacia el lado P. Cuando un electrón libre entra en
la región P se convierte en un portador minoritario y con tantos huecos a su
alrededor no tardará en recombinarse cayendo en un hueco, transformándose
en un electrón de valencia.
Cada vez que un electrón se difunde a través de la unión, crea un par de
iones, ya que, cuando el electrón abandona el lado N deja un átomo pentavalente
al que le hace falta una carga negativa. Así, este átomo se convierte en ion
positivo y una vez que el electrón cae en el hueco del lado P, ese átomo trivalente
lo captura y se convierte en un ion negativo.

17. 17 | P á g i n a
Cada pareja de iones positivos y negativos en la unión se llama dipolo. A
medida que aumenta el número de dipolos, la región cercana a la unión se vacía
de portadores. A esta zona sin portadores se la conoce como zona de deplexión
o zona de carga espacial.
Esta separación de cargas provoca la aparición de un campo eléctrico que
se opone al a difusión de portadores. Esto significa que el campo acabará por
detener la difusión de electrones a través de la unión. Podemos decir que el
campo eléctrico crea una barrera de potencial que impide la difusión de los
electrones.
La unión PN polarizada.
Puede ser de dos tipos:
Polarización directa. En la siguiente figura se ve una fuente de corriente
conectada a un diodo. El terminal negativo de la fuente está conectada al
material de tipo N y el terminal positivo al material tipo P. A esta conexión se la
llama polarización directa.

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La polarización directa actúa oponiéndose al campo existente en la zona de
carga espacial.
El polo negativo repele a los electrones libres del cristal N que se dirigen
hacia la zona de unión P-N. El polo positivo atrae a los electrones de valencia
del cristal P, lo que equivale a decir que empuja a los huecos hacia la zona de
unión P-N.
Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor
que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres
del cristal N adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal P,
cayendo en uno de los múltiples huecos y a su vez convirtiéndose en un electrón
de valencia. El electrón de valencia será atraído por el borne positivo de la
batería creando así una corriente eléctrica.
La corriente circula fácilmente en un diodo de silicio polarizado en directa.
Cuando la tensión aplicada sea mayor que la barrera de potencial (0,7 V para el
silicio), habrá una gran corriente continua en el sentido P a N.
Polarización inversa. Si se invierte la polaridad de la fuente continua,
entonces el diodo quedará polarizado en inversa. En este caso, el terminal
negativo de la batería se encuentra conectado al lado P y el terminal positivo lo
que está al lado N. Esta conexión se denomina polarización inversa.
La polarización inversa hace que aumente la barrera de potencial, con lo que
la corriente debida a los electrones libres que pasan del lado N al lado P será
prácticamente nula. Sin embargo, incluso con polarización inversa, existe una
pequeña corriente en el sentido N a P y se conoce como corriente inversa de
saturación (Is).

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