Semiconductores

1. Felipe Auccaille M.
Física Electrónica

2. 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.
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
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 ELECTRONICAS s²p².

3. 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.
Es un semiconductor puro. A temperatura ambiente se
comporta como un aislante porque solo tiene unos pocos
electrones libres y huecos debidos a la energía térmica.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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".

8. 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.

9. 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.

10. En un semiconductor perfecto, las concentraciones de
electrones(n) en la banda de conducción y de huecos(p) en la
banda de valencia son iguales (por unidad de volumen); así
como la concentración intrínseca de portadores.

11. 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.

12. El número de átomos dopantes necesitados para crear
una diferencia en las capacidades conductoras de un
semiconductor es muy pequeña. Cuando se agregan un
pequeño número de átomos dopantes (en el orden de 1
cada 100.000.000 de átomos) entonces se dice que el
dopaje es bajo o ligero. Cuando se agregan muchos más
átomos (en el orden de 1 cada 10.000 átomos) entonces
se dice que el dopaje es alto o pesado. Este dopaje
pesado se representa con la nomenclatura N+ para
material de tipo N, o P+ para material de tipo P.

13. Tipo N
Se llama material tipo N al que posee átomos de impurezas que permiten la aparición de
electrones sin huecos asociados a los mismos. 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.

14. Tipo P
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.