1. Semiconductores
Javier Juan Castro Sánchez

2. Semiconductores
 Semiconductor es un elemento que se
comporta como un conductor o
como aislante dependiendo de diversos
factores, como por ejemplo el campo
eléctrico o magnético, la presión, la
radiación que le incide, o la temperatura del
ambiente en el que se encuentre.
 Los elementos químicos semiconductores de
la tabla periódica se indican en la tabla
adjunta.

3.  Elelemento 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 14 y 15 respectivamente (AsGa, 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.

4.  Los semiconductores son uno de los
adelantos tecnológicos que más relevancia
han tenido en este siglo principalmente por
haber permitido un desarrollo extremo de la
electrónica general. Su antecesor, el tubo
termoiónico o válvula de vacío es un
dispositivo caro, grande, frágil, lento y que
requiere un consumo de potencia no
despreciable sólo para hacerlo funcionar.
 Con él nunca se hubiesen podido alcanzar
niveles que a día de hoy nos parecen de lo
más normal como integrar decenas de
millones de transistores en el tamaño de una
uña, y esto se debe al bajo precio, reducido
tamaño y bajo consumo que permite la
tecnología de los semiconductores.

5.  Enel diseño electrónico siempre
existen fenómenos que alejan a los
componentes de su
comportamiento teórico, se suelen
denominar efectos parásitos y no es
posible sacar el máximo partido de
un diseño sin conocerlos. Incluso en
el campo digital, la
implementación está sujeta a
fenómenos analógicos que si no se
tienen en cuenta impedirán un
correcto funcionamiento.

6.  Niveles energéticos
 Las bandas energéticas de un átomo
marcan los lugares donde es posible que se
encuentren los electrones. Las bandas más
próximas al átomo se llaman bandas de
valencia y en ellas los átomos están
fuertemente ligados al núcleo por fuerzas
eléctricas. En el exterior la fuerza eléctrica es
menor y además se tiene la repulsión
eléctrica de los electrones de la capa de
valencia, por lo que en esta banda los
electrónes están débilmente ligados al
átomo. Esta capa se denomina capa de
conducción. En medio puede existir una
banda denominada de energía prohibida,
donde si hubiese un electrón inevitablemente
caería a la capa de valencia (en caso de
estar incompleta) o sería expulsado a la
capa de conducción.

7. Semiconductores
Intrínsecos
 Semiconductores intrínsecos
 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.
 Las energías requeridas, a temperatura ambiente,
son de 1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y
el germanio respectivamente.

8.  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 de singadera extrema 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:

9.  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 (27ºc):
 ni(Si) = 1.5 1010cm-3ni(Ge) = 1.72 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.
 Por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en
la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos
próximos, 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.

10.  Al tipo de semiconductores mencionado
anteriormente se le denomina semiconductor
intrínseco, porque sólo posee un tipo de átomos
que están en equilibrio eléctrico.
 En los semiconductores intrínsecos, cuando se
aumenta la temperatura la vibración de las
partículas puede romper los enlaces covalentes.
 Los electrones pueden adquirir suficiente energía
como para escapar de los enlaces covalentes y
convertirse en un electrónes libres.
 Para abandonar la capa de valencia y situarse en
la capa de conducción, es decir, que
térmicamente pueden generarse electrones y las
ausencias de electrones en la capa de valencia,
denominados huecos.

12. Semiconductores
Extrínsecos
 Si a un semiconductor intrínseco, como el
anterior, se le añade un pequeño porcentaje
de impurezas, es decir, elementos trivalentes
o pentavalentes, el semiconductor se
denomina extrínseco, y se dice que
está dopado.
 Evidentemente, las impurezas deberán
formar parte de la estructura cristalina
sustituyendo al correspondiente átomo de
silicio.
 Hoy en día se han logrado añadir impurezas
de una parte por cada 10 millones, logrando
con ello una modificación del material.

13.  Los
semiconductores extrínsecos son
aquellos a los que se les añaden
impurezas (proceso de dopado), que son
átomos pentavalentes o trivalentes.
 Que tendrán exceso o defecto de
electrones; en los que llevan impurezas
pentavalentes habrá exceso de
electrones y se les denomina de tipo N;
quedarán ligados al átomo pero no hará
falta mucha energía para arrancar ese
electrón.

15. Semiconductores Dopados
 En la producción de semiconductores, se
denomina dopaje al proceso intencional de
agregar impurezas en un semiconductor
extremadamente puro (también referido
como intrínseco) con el fin de cambiar sus
propiedades eléctricas.
 Las impurezas utilizadas dependen del tipo de
semiconductores a dopar. A los semiconductores
con dopajes ligeros y moderados se los conoce
como extrínsecos.
 Un semiconductor altamente dopado, que actúa
más como un conductor que como un
semiconductor, es llamado degenerado.

16.  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.
Sentido del movimiento de un electrón y un hueco en el silicio
 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