2. Son materiales cuya conductividad varía con la temperatura, pudiendo
comportarse como conductores o como aislantes. Resulta que se desean
variaciones de la conductividad no con la temperatura sino controlables
eléctricamente por el hombre.
3. Son propiedades semiconductoras que se encuentra en estado puro, es
decir que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de
su estructura, sino en forma natural.
Entre ellos tenemos:
4. 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.
5. • Cuando los electrones libres llegan la extremo derecho del
cristal, entran al conductor externo (normalmente un hilo de
cobre) y circulan hacia el terminal positivo de la batería. Por
otro lado, los electrones libres en el terminal negativo de la
batería fluirían hacia el extremos izquierdo del cristal. Así
entran en el cristal y se recombinan con los huecos que
llegan al extremo izquierdo del cristal. Se produce un flujo
estable de electrones libres y huecos dentro del
semiconductor.
6. • Si un electrón de valencia se convierte en electrón de
conducción deja una posición vacante, y si aplicamos un
campo eléctrico al semiconductor, este “hueco” puede ser
ocupado por otro electrón de valencia, que deja a su vez
otro hueco. Este efecto es el de una carga +e moviéndose
en dirección del campo eléctrico. A este proceso le
llamamos ‘generación térmica de pares electrón-hueco’
7. Anteriormente hemos visto que los semiconductores intrínsecos eran
aquellos que no tenían impurezas, esto es, todos son átomos de Si
Al aplicar el principio de exclusión de Pauli el electrón de energía E1 de un
átomo y el electrón de energía E1 del átomo vecino se han de separar en
energía.
Como hay una gran cantidad de átomos aparecen muchos niveles
energéticos con una separación muy pequeña, formando la 1ª Banda de
Energía. Los electrones de energía E2 se separan en energía formando la
2ª Banda de Energía.
8. Y así sucesivamente con el resto de energías se van creando Bandas de
Energía (grupos de niveles energéticos). El resultado es el siguiente:
Como es difícil sacar un electrón de las bandas inferiores, no nos
interesan las 2 bandas inferiores, no las tendremos en cuenta, así
tendríamos:
9. Estas 2 bandas son las creadas por los 4 electrones de la última órbita
del átomo.
A 0 ºK los 4 electrones de cada átomo están en la Banda de Valencia
(cada uno en un radio o energía permitido).
BC = Banda de Conducción
BV = Banda de Valencia
A 300 ºK (27 ºC, temperatura ambiente) o a mayor temperatura, algún
electrón puede conseguir suficiente energía como para pasar a la Banda
de Conducción, dejando así un hueco en la Banda de Valencia.
10. Recordar que a esto le llamábamos Generación Térmica de Pares
electrón libre-hueco. Cuanto más aumente la temperatura, más
electrones suben debido a la generación térmica.
Por eso un semiconductor a 0 ºK no conduce y si aumenta la
temperatura conduce más. Ahora veremos que es lo que ocurre con los
semiconductores con impurezas.
11. En los semiconductores intrínsecos la energía de Fermi (EF) se ubica
aproximadamente entre la energía del mayor nivel de la banda de valencia
(EV) y la energía del menor nivel de la banda de conducción (EC).
Teniendo en cuenta la función de probabilidad de Fermi-Dirac, la probabilidad
de encontrar niveles de energía, ocupados en la banda de conducción, es
muy pequeña y la probabilidad de encontrar electrones en la banda de
valencia es muy alta. Como el ancho de la banda de energía prohibida es
muy pequeño, entonces muchos electrones se excitan térmicamente de la
banda de valencia a la banda de conducción, y la aplicación de un pequeño
voltaje puede aumentar con facilidad la temperatura de los electrones en la
banda de conducción, produciéndose una corriente moderada. La
conductividad de los semiconductores depende mucho de la temperatura y
se incrementa con ésta. En contraste con la conductividad de los metales,
que disminuye con la temperatura.
En un semiconductor intrínseco la energía de
Fermi se ubica en la mitad de la banda
prohibida, entre las energías EC y EV.
12.
13. 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
Sentido del movimiento de un electrón y un
hueco en el silicio.
14. • Impurezas de valencia 5
(Arsénico, Antimonio, Fósforo).
tenemos un cristal de Silicio
dopado con átomos de valencia
5
• Los átomo de valencia 5 tienen
un electrón de más, así con una
temperatura no muy elevada (a
temperatura ambiente por
ejemplo), el 5º electrón se hace
electrón libre. Esto es, como
solo se pueden tener 8
electrones en la órbita de
valencia, el átomo pentavalente
suelta un electrón que será libre.
15. • Impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro,
Galio). Tenemos un cristal de Silicio
dopado con átomos de valencia 3.
• Los átomo de valencia 3 tienen un
electrón de menos, entonces como nos
falta un electrón tenemos un hueco.
Esto es, ese átomo trivalente tiene 7
electrones en la orbita de valencia. Al
átomo de valencia 3 se le llama "átomo
trivalente" o "Aceptor".
• A estas impurezas se les llama
"Impurezas Aceptoras". Hay tantos
huecos como impurezas de valencia 3 y
sigue habiendo huecos de generación
térmica (muy pocos). El número de
huecos se llama p (huecos/m3).
16. 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.
Ejemplo de dopaje de Silicio por el
Fósforo (dopaje Tipo N). En el caso
del Fósforo, se dona un electrón
17. 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.
18. 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
mayoritariosy 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.
19. El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje
N). En el caso del Fósforo, se dona un electrón
20. 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 (en este caso
positivos o huecos).
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.
21. 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 arteriales 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.
22. • 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. La cantidad de
portadores mayoritarios será
función directa de la cantidad
de átomos de impurezas
introducidos.
En el doping tipo p, la creación de
agujeros, es alcanzada mediante la
incorporación en el silicio de átomos con 3
electrones de valencia, generalmente se
utiliza boro.(9)
23. 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
En la producciñon de semiconductores , se denomina dopaje al
proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor
extremadamente puro (también referido como intríseco ), con el fin de
cambiar sus propiedades electricas . Las impurezas utilizadas depender
del tipo semiconductores a dopar .