Semiconductores

1. semiconductores intrínsecos y
los semiconductores dopados

2. Semiconductores intrínsecos
•Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraedro similar a la del carbono
mediante enlace covalente 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 conductancia 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 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:
•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 10
10cm-3n
i (Ge) = 1.72 10
13cm-3

3. Cristal De Silicio Puro
Se denomina semiconductor puro aquél en que los átomos que lo constituyen son todos del mismo
tipo, es decir no tiene ninguna clase de impureza. La disposición esquemática de los átomos para un
semiconductor de silicio podemos observarla en la figura, Las regiones sombreadas representan
la carga positiva neta de los núcleos y los puntos negros son los electrones, menos unidos a los
mismos.

4. Conducción Del Cristal De Silicio
Puro
•A la temperatura ambiente (20-25 grados C.) algunas de las fuertes uniones entre los átomos se
rompen debido al calentamiento del semiconductor y como consecuencia de ello algunos de los
electrones pasan a ser libres. En la figura siguiente se representa esta situación. La ausencia del electrón
que pertenecía a la unión de dos átomos de silicio se representa por un círculo.

5. SEMICONDUCTOR DOPADO
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

6. Dopado del Germanio
•El germanio tiene todos sus electrones con baja energía dentro de las bandas de
valencia y se transforma en un aislador absoluto. En cambio a temperatura
ambiente alguno de los electrones toma la energía necesaria para pasar a la
banda de conducción y el germanio se comporta como un semiconductor(Ver
figura 2.).
• El electrón que se independiza de la atracción del núcleo se convierte en
electrón libre y origina en la covalencia que se destruye, la ausencia de una carga
negativa o pozo positivo, que se denomina, laguna o agujero. Se admite que esta
laguna o agujero se va corriendo sucesivamente a través del sólido, pues puede
ser llenada por electrones de covalencias vecinas originando en ellas el nuevo
hueco (ver figura 3).
•

7. Figura de dopado en Ge

8. Figura de dopado electrónico en el
Ge

9. Movimiento de Agujero
La movilidad del agujero puede ser simulada por estudiantes. Cinco estudiantes
son electrones y una silla vacía es un agujero. Por cada movimiento de los
estudiantes una silla hacia la derecha (flechas oscuras) produce un resultado que
es equivalente a una silla vacía que mueve a la izquierda (flechas blancas). (Ver
analogía en figura 4.)

10. Movimiento de Agujero
Representativo

11. Semiconductores del tipo "n”
•La impurificación consiste en agregar al semiconductor átomos de otros
elementos, hablamos de una contaminación de un átomo contaminante por
cada 108 átomos de la red.
•Una de las impurezas usadas es el Arsénico que tiene 5 electrones en la
última capa, necesitando 3 para lograr la configuración estable de 8
electrones.
•Poniendo en condiciones adecuadas de presión y temperatura cristales de
Ge en presencia de As, el mismo desplaza a los átomos de Ge y con 4 de sus
electrones forma 4 covalencias compartiendo electrones con otros cuatro
átomos de Ge logrando 8 en la última capa a expensas de liberar el quinto a la
red. El electrón libre que se incorpora al sólido mejora la conductividad del
mismo porque se aumenta dentro del sólido el número de portadores de
corriente.

12. Semiconductores del tipo "n”

13. Semiconductores del tipo "p"
•El Ge se puede contaminar también con otras impurezas como el Boro o el
Indio. Tanto uno como el otro tienen 3 electrones de valencia en la última
capa y también en condiciones adecuadas de presión y temperatura estos
pueden sustituir a un átomo de Ge de la red, pero al hacer esto en las
covalencias vecinas faltaría un electrón generando un hueco positivo llamado
laguna. Ésta genera estabilidades y tiende a ser llenada con electrones de
covalencias vecinas pasando el hueco o la laguna (+) alternativamente entre
los átomos de la red, es decir contrariamente a lo que hacía el Arsénico , el
Boro deja lagunas libres forzando a los electrones a ocuparlas y haciendo que
estos queden en minoría resultando como portadoras mayoritarias las
lagunas. Este nuevo semiconductor se denomina del tipo "p" y a la impureza,
"aceptora".

14. Semiconductores del tipo "p"

15. Unión p-n
•Una unión p-n se obtiene por la unión de un semiconductor tipo "p" y uno
"n". En el tipo "p" los portadores mayoritarios son lagunas y tratarán de
difundirse hacia el "n" por lo contrario los portadores mayoritarios del "n"
que son los electrones tratarán de difundirse ocupando parte de "p".
•Pero tanto uno como otro semiconductor son neutros, cada electrón que
deja el "n" y pasa al "p" carga negativamente al "p" y positivamente al "n" y
cada laguna que pase del "p" al "n" aumenta también la positividad de "n" y
la negatividad de "p".
•Al principio los primeros electrones y lagunas que difunden cerca de la
juntura no encuentran resistencia de ningún campo eléctrico pero a medida
que van cruzando la unión van dejando una zona sin portadores y creando un
potencial eléctrico intenso que actúa en contra del movimiento de otros
portadores que quieren intentar el mismo camino.
•Llega un momento que los portadores que no han cruzado la unión, si
quieren hacerlo necesitan energía extra para vencer el potencial y pasar la
zona deprimida que es del orden de un micrón.

16. Unión p-n

17. Zona de agotamiento
•No es conductora, puesto que no posee portadores de carga libres. En ella
actúa un campo eléctrico, o bien entre los extremos actúa una barrera de
potencial.

18. Polarización Directa Unión Pn
•El bloque PN en principio no permite el establecimiento de una corriente
eléctrica entre sus terminales puesto que la zona de agotamiento no es
conductora.
•Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un
campo eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un
estrechamiento de la zona de agotamiento. Sin embargo, mientras ésta exista
no será posible la conducción.
•Si la tensión aplicada supera a la de barrera, desaparece la zona de
agotamiento y el dispositivo conduce. De forma simplificada e ideal, lo que
sucede es lo siguiente
•Electrones y huecos se dirigen a la unión.
•En la unión se recombinan.
•En resumen, polarizar un diodo PN en directa es aplicar tensión positiva a la
zona P y negativa a la zona N. Un diodo PN conduce en directa porque se
inunda de cargas móviles la zona de agotamiento.
•La tensión aplicada se emplea en:
•Vencer la barrera de potencial.
•Mover los portadores de carga

19. Polarización Directa Unión Pn

20. Polarización Inversa Unión Pn.
Corriente De Fuga
•Condición de Polarización Inversa (Vd < 0 V).
•Bajo esta condición el número de iones positivos descubiertos en la región
de agotamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de
electrones libres arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. El
número de iones negativos descubiertos en el material tipo P también
aumentará debido a los electrones inyectados por la terminal negativa, las
cuales ocuparán los huecos. El fenómeno explicado anteriormente, en ambos
tipos de material N y P, provocará que la región de agotamiento se ensanche
o crezca hasta establecer una barrera tan grande que los portadores
mayoritarios no podrán superar, esto significa que la corriente Id del diodo
será cero. Sin embargo, el número de portadores minoritarios que estarán
entrando a la región de agotamiento no cambiará, ya que para ellos la unión
esta polarizada en directo, creando por lo tanto la corriente Is denominada
corriente de saturación inversa o corriente de fuga.

21. Polarización Inversa Unión Pn.
Corriente De Fuga

22. Polarización Directa
•Cuando al diodo se le aplica externamente una diferencia de potencial
como si estuviera en paralelo con una pila imaginaria que formó el
potencial de la unión, los electrones del lado n no pueden pasar al lado
p porque la pila con su lado positivo refuerza la barrera de potencial.

23. Polarización Directa
•Por la misma razón las lagunas tampoco pueden pasar al lado n porque el
potencial negativo de la pila refuerza la barrera de potencial de la unión.
•También podemos decir que no circulará ninguna corriente porque la pila
exterior ensancha mucho la zona deprimida. En realidad siempre circula una
corriente pequeña debida a los portadores minoritarios. La polarización del
diodo realizada de esta forma se llama polarización inversa, es decir si el
diodo se polariza inversamente no conduce corriente. Si invertimos la
polarización de los portadores mayoritarios toman la energía necesaria para
atravesar la unión venciendo la barrera de potencial y a ésta se la denomina
polarización directa.
•En forma no muy rigurosa podemos decir que un diodo polarizado
directamente se comporta como un interruptor cerrado mientras que
inversamente polarizado como uno abierto. El signo que se utiliza para
individualizar a un diodo en un circuito es el siguiente:

24. Polarización Directa

25. Direccion de publicaciones
•http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor
•http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_1.htm
•http://www.areaelectronica.com/semiconductores-comunes/
•http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/dispossemicond.html
•http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Principios-Basicos-Materiales-Semiconductores.php
•http://www.ing.unlp.edu.ar/quimica/Q1.htm