2. SEMICONDUCTORES
es un elemento que se comporta como un conductor o como un 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.
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.
SEMICONDUCTOR INTRINSECO
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.
3. A simple vista es imposible que un semiconductor permita el movimiento de electrones a través de sus
bandas de energía Idealmente, a T=0ºK, el semiconductor es un aislante porque todos los e- están
formando enlaces.
Pero al crecer la temperatura, algún enlace covalente se puede romper y quedar libre un e- para
moverse en la estructura cristalina.
CRISTAL SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO
Representación bidimensional de la
estructura cristalina del Si
El hecho de liberarse un e- deja un “hueco”
(partícula ficticia positiva) en la estructura
cristalina. De esta forma, dentro del
semiconductor encontramos el electrón libre
(e-), pero también hay un segundo tipo de
portador: el hueco (h+)
4. MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA: CONDUCCIÓN INTRÍNSECA
Cristal perfecto a I =0°K Cristal imperfecto ó aT >0°K
5. MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA: CONDUCCIÓN INTRÍNSECA
En un semiconductor perfecto, las
concentraciones de electrones y de huecos
son iguales:
n: número de electrones (por unidad de volumen) en la banda de
conducción p: número de huecos (por unidad de volumen) en la banda de
valencia ni: concentración intrínseca de portadores
6. MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA: CONDUCCIÓN INTRÍNSECA
Dependencia con la Temperatura: Gráfico ni = f(T)
Semiconductor Intrínseco: Intrínseco indica un material
semiconductor extremadamente puro contiene una cantidad
insignificante de átomos de impurezas. En él se cumple:
7. 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.
ELEMENTOS DOPANTES
Semiconductores de Grupo IV
Para los semiconductores del Grupo IV como Silicio, Germanio y Carburo de
silicio, los dopantes más comunes son elementos del Grupo III o del Grupo
V. Boro, Arsénico, Fósforo, y ocasionalmente Galio, son utilizados para
dopar al Silicio.
SEMICONDUCTOR DOPADOS (EXTRÍNSECOS)
8. Se llama material tipo N al que posee átomos de impurezas que
permiten la aparición de electrones sin huecos asociados a los
mismos semiconductores. Los átomos de este tipo se llaman
donantes ya que "donan" o entregan electrones. Suelen ser de
valencia cinco, como el Arsénico y el Fósforo. De esta forma,
no se ha desbalanceado la neutralidad eléctrica, ya que el
átomo introducido al semiconductor es neutro, pero posee un
electrón no ligado, a diferencia de los átomos que conforman la
estructura original, por lo que la energía necesaria para
separarlo del átomo será menor que la necesitada para romper
una ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor
original). Finalmente, existirán más electrones que huecos, por
lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los
últimos los minoritarios. La cantidad de portadores
mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de
impurezas introducidos.
El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo
(dopaje N). En el caso del Fósforo, se dona un electrón
Dopaje Tipo N
TIPOS DE MATERIALES DOPANTES TIPO N
9. Se llama así al material que tiene átomos de impurezas que
permiten la formación de huecos sin que aparezcan
electrones asociados a los mismos, como ocurre al romperse
una ligadura. Los átomos de este tipo se llaman aceptores, ya
que "aceptan" o toman un electrón. Suelen ser de valencia
tres, como el Aluminio, el Indio o el Galio. Nuevamente, el
átomo introducido es neutro, por lo que no modificará la
neutralidad eléctrica del cristal, pero debido a que solo tiene
tres electrones en su última capa de valencia, aparecerá una
ligadura rota, que tenderá a tomar electrones de los átomos
próximos, generando finalmente más huecos que electrones,
por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y
los segundos los minoritarios. Al igual que en el material tipo
N, la cantidad de portadores mayoritarios será función
directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.
El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Boro (P
dopaje). En el caso del boro le falta un electrón y, por tanto,
es donado un hueco de electrón
Dopaje Tipo P
TIPOS DE MATERIALES DOPANTES TIPO P
10. PORTADORES MAYORITARIOS Y PORTADORES MINORITARIOS
TIPO N
TIPO P
En un material tipo N, al
electrón se le llama portador
mayoritario y el hueco es el
portador minoritario.
En un material tipo P, el hueco
se llama portador mayoritario
y el electrón es el portador
minoritario.
11. CASO PARTICULAR DEL SILICIO
Material extrínseco Tipo n:
Se ha dopado con elementos pentavalentes
(As, P o Sb) que tienen 5 electrones en la última capa:
IMPUREZA DONADORA.
Al formarse la estructura cristalina, el quinto electrón no
estará ligado en ningún enlace covalente.
Con muy poca energía (sólo la térmica, 300 K) el 5º
electrón se separa del átomo y pasa la banda de
conducción.
La impureza fija en el espacio quedará IONIZADA (cargada
positivamente)
En un semiconductor tipo n, los DOPANTES contribuyen a
la existencia “extra de electrones”, lo cuál aumenta
“enormemente” la conductividad debida a electrones .
12. CASO PARTICULAR DEL SILICIO
Material extrínseco Tipo P:
Cuando se sustituye un átomo de Si por un átomo
como (Boro, Galio) que tienen 3 electrones en la
última capa: IMPUREZA ACEPTADORA.
Al formarse el cristal, los tres electrones forman el
enlace covalente con los átomos de Si, pero queda un
hueco (un enlace vacante).
A ese hueco se pueden mover otros electrones que
dejarán a su vez otros huecos en la Banda de Valencia.
La impureza fija en el espacio quedará cargada
negativamente
En un semiconductor tipo p, los dopantes contribuyen
a la existencia “extra de huecos” sin haber electrones
en la banda
