Fisica de Semiconductores

1. SEMICONDUCTORES
Clase 1 22-05-2013

2. SEMICONDUCTORES
Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza poseen
características diferentes, agrupadas todas en la denominada “Tabla de
Elementos Químicos”. Desde el punto de vista eléctrico, todos los cuerpos
simples o compuestos formados por estos elementos se pueden dividir en tres
amplias categorías:
- Conductores
- Aislantes
-Semiconductores
INTRODUCCIÓN
. MATERIALES CONDUCTORES

3. A diferencia de los cuerpos metálicos buenos conductores de la
corriente eléctrica, existen otros como el aire, la porcelana, el cristal,
la mica, la ebonita, las resinas sintéticas, los plásticos, etc., que
ofrecen una alta resistencia a su paso. Esos materiales se conocen
como aislantes o dieléctricos.
. MATERIALES AISLANTES O DIELECTRICOS
Los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. En la foto izquierda. se
pueden observar diferentes materiales aislantes de plástico utilizados comúnmente en las cajas de. conexión
y en otros elementos propios de las instalaciones eléctricas domésticas de baja tensión, así. como el PVC
(PolyVinyl Chloride – Policloruro de Vinilo) empleado como revestimiento en los cables. conductores. En la
foto de la derecha aparece, señalado con una flecha roja, un aislante de vidrio. utilizado en las torres
externas de distribución eléctrica de alta tensión.

4. Al contrario de lo que ocurre con los átomos de los metales, que ceden sus
electrones con facilidad y conducen bien la corriente eléctrica, los de los elementos
aislantes poseen entre cinco y siete electrones fuertemente ligados a su última
órbita, lo que les impide cederlos. Esa característica los convierte en malos
conductores de la electricidad, o no la conducen en absoluto.
En los materiales aislantes, la banda de conducción se
encuentra prácticamente vacía de portadores de
cargas eléctricas o electrones, mientras que la banda
de valencia está completamente llena de estos.
Como ya conocemos, en medio de esas dos bandas
se encuentra la “banda prohibida”, cuya misión es
impedir que los electrones de valencia, situados en la
última órbita del átomo, se exciten y salten a la banda
de conducción.
La energía propia de los electrones de valencia equivale a unos 0,03 eV
(electronvolt) aproximadamente, cifra muy por debajo de los 6 a 10 eV de energía
de salto de banda (Eg) que requerirían poseer los electrones para atravesar el
ancho de la banda prohibida en los materiales aislantes.

5. Los primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron
pequeños detectores diodos empleados a principios del siglo 20 en los
primitivos radiorreceptores, que se conocían como “de galena”.
Ese nombre lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra de galena o
sulfuro de plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado
para sintonizar las emisoras de radio.
La sintonización se obtenía moviendo una aguja que tenía dispuesta sobre la
superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y
escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie
conocía que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas.
MATERIALES SEMICONDUCTORES

6. En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a
ciertos cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su
conductividad eléctrica variaba cuando el material se exponía a una fuente
de luz.
Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o
solares.
Posteriormente, en 1947 William Shockley, investigador también de los
Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer
dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron
“transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica
moderna.
MATERIALES SEMICONDUCTORES

7. Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se),
por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias
entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni
una cosa, ni la otra.
Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos
permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el
sentido contrario.
Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de
radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores
o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc.
MATERIALES SEMICONDUCTORES

8. Lugar que ocupan en la Tabla Periódica los trece elementos
con. características de semiconductores, identificados con su
correspondiente. número atómico y grupo al que pertenecen.
Los que aparecen con fondo.
gris corresponden a “metales”, los de fondo verde a
“metaloides” y los de. fondo azul a “no metales”.
Esos elementos semiconductores que aparecen dispuestos en la Tabla Periódica
constituyen la materia prima principal, en especial el silicio (Si), para fabricar diodos
detectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados y
microprocesadores.

9. Los átomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco
electrones en su última órbita, de acuerdo con el elemento específico al que
pertenecen.
No obstante, los elementos más utilizados por la industria electrónica, como el silicio
(Si) y el germanio (Ge), poseen solamente cuatro electrones en su última órbita.
En este caso, el equilibrio eléctrico que proporciona la estructura molecular cristalina
característica de esos átomos en estado puro no les permite ceder, ni captar
electrones.
Normalmente los átomos de los elementos semiconductores se unen formando
enlaces covalentes y no permiten que la corriente eléctrica fluya a través de sus
cuerpos cuando se les aplica una diferencia de potencial o corriente eléctrica. En esas
condiciones, al no presentar conductividad eléctrica alguna, se comportan de forma
similar a un material aislante.

10. TABLA DE ELEMENTOS SEMICONDUCTORES

11. Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor
La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los
materiales semiconductores depende en gran medida de su temperatura
interna.
En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, la
resistencia al paso de la corriente también aumenta, disminuyendo la
conductividad.
Todo lo contrario ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras
su temperatura aumenta, la conductividad también aumenta.
En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar
aplicando uno de los siguientes métodos:
- Elevación de su temperatura
- Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina
- Incrementando la iluminación.

12. Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente
forma:
- Intrínsecos
- Extrínsecos
Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado
puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro
de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en
la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de
electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción.
Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento
semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y
varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la
atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones
libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de
conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la
propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se
estimule con el paso de una corriente eléctrica.
SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS"

13. SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS"
Como se puede observar en la ilustración, en el caso de los
semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida es
mucho más estrecho en comparación con los materiales aislantes. La
energía de salto de banda (Eg) requerida por los electrones para
saltar de la banda de valencia a la de conducción es de 1 eV
aproximadamente. En los semiconductores de silicio (Si), la energía
de salto de banda requerida por los electrones es de 1,21 eV,
mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.

14. Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco,
compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman
una celosía. Como se puede observar en la ilustración, los
átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la
última órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces
covalente para completar ocho electrones y crear así un
cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de
silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.
• Cristales sin impurezas ni defectos en la red (idealmente, claro)
• Conforme la temperatura aumenta, hay generación de pares electrón-
hueco
• Obviamente, n = p = ni
• ni varía exponencialmente con la temperatura

16. Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta
alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por
su cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura molecular del
semiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o de germanio con pequeñas
cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas".
Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos
semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [como
el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última órbita
[como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el germanio se
convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corriente
eléctrica.
En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el uso de la
industria electrónica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente relativamente barato
de obtener. La materia prima empleada para fabricar cristales semiconductores de silicio es
la arena, uno de los materiales más abundantes en la naturaleza. En su forma industrial
primaria el cristal de silicio tiene la forma de una oblea de muy poco grosor (entre 0,20 y
0,25 mm aproximadamente), pulida como un espejo.
SEMICONDUCTORES "EXTRÍNSECOS"

18. A la izquierda se muestra la ilustración
de una oblea (wafer) o cristal
semiconductor de. silicio pulida con
brillo de espejo, destinada a la
fabricación de transistores y circuitos.
integrados.
A la derecha aparece la cuarta parte
de la oblea conteniendo cientos de.
minúsculos dados o “chips”, que se
pueden obtener de cada una.
Esos chips son los. que después de
pasar por un proceso tecnológico
apropiado se convertirán en.
transistores o circuitos integrados.
Una vez que los chips se han
convertido en. transistores o circuitos
integrados serán desprendidos de la
oblea y colocados dentro. de una
cápsula protectora con sus
correspondientes conectores
externos.

19. El segundo elemento también utilizado como semiconductor, pero en menor proporción que
el silicio, es el cristal de germanio (Ge).
Durante mucho tiempo se empleó también
el selenio (S) para fabricar diodos
semiconductores en forma de placas
rectangulares, que combinadas y montadas
en una especie de eje se empleaban para
rectificar la corriente alterna y convertirla
en directa. Hoy en día, además del silicio y
el germanio, se emplean también
combinaciones de otros elementos
semiconductores presentes en la Tabla
Periódica.
Placa individual de 2 x 2 cm de área,
correspondiente a un antiguo diodo de
selenio.

20. Lente (señalada con la flecha) detrás de la cual se
encuentra instalado un diodo láser de arseniuro de galio
(GaAs) empleado para leer datos de texto, presentaciones
multimedia o música grabada en un CD. En esta
ilustración el. CD se ha sustituido por un disco similar
transparente de plástico común.
En el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en estado puro, es decir, como elementos
intrínsecos, los electrones de su última órbita tienden a unirse formando "enlaces covalentes", para adoptar una
estructura cristalina. Los átomos de cualquier elemento, independientemente de la cantidad de electrones que
contengan en su última órbita, tratan siempre de completarla con un máximo de ocho, ya sea donándolos o
aceptándolos, según el número de valencia que le corresponda a cada átomo en específico.
Con respecto a los elementos semiconductores, que poseen sólo cuatro electrones en su última órbita, sus
átomos tienden a agruparse formando enlaces covalentes, compartiendo entre sí los cuatro electrones que cada
uno posee, según la tendencia de completar ocho en su órbita externa. Al agruparse de esa forma para crear un
cuerpo sólido, los átomos del elemento semiconductor adquieren una estructura cristalina, semejante a una
celosía. En su estado puro, como ya se mencionó anteriormente, esa estructura no conduce la electricidad, por lo
que esos cuerpos semiconductores se comportan como aislantes.
Entre esas combinaciones se encuentra la formada por el galio (Ga) y el arsénico (As)
utilizada para obtener arseniuro de galio (GaAs), material destinado a la fabricación de
diodos láser empleados como dispositivos de lectura en CDs de audio.

21. En el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en estado
puro, es decir, como elementos intrínsecos, los electrones de su última órbita
tienden a unirse formando "enlaces covalentes", para adoptar una estructura
cristalina. Los átomos de cualquier elemento, independientemente de la
cantidad de electrones que contengan en su última órbita, tratan siempre de
completarla con un máximo de ocho, ya sea donándolos o aceptándolos, según
el número de valencia que le corresponda a cada átomo en específico.
Con respecto a los elementos semiconductores, que poseen sólo cuatro
electrones en su última órbita, sus átomos tienden a agruparse formando
enlaces covalentes, compartiendo entre sí los cuatro electrones que cada uno
posee, según la tendencia de completar ocho en su órbita externa. Al agruparse
de esa forma para crear un cuerpo sólido, los átomos del elemento
semiconductor adquieren una estructura cristalina, semejante a una celosía. En
su estado puro, como ya se mencionó anteriormente, esa estructura no
conduce la electricidad, por lo que esos cuerpos semiconductores se comportan
como aislantes.

22. 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
Sentido del movimiento de un electrón y un
hueco en el silicio

23. SEMICONDUCTOR DOPADO
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

24. Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado,
añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar
el número de portadores de carga libres .
Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente
vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es
también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor
que han perdido un electrón son conocidos como huecos.

25. El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el
caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla
periódica) se le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como
los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red
cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres
enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrará en condición de
aceptar un electrón libre.
Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha
desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco
se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta carga
positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los
huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así,
los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son
los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules
(tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un
semiconductor tipo P que se produce de manera natural.

26. Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado
añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el
número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones).
Cuando se añade el material dopante aporta sus electrones más débilmente
vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es
también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones.

27. El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones
portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje
tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una
valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada
uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de
valencia, tales como los del grupo 15 de la tabla periódica (ej. fósforo (P),
arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un
átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un
electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de
"electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente
el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores
mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los
átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar",
son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el
semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el
material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de
cero.