Este documento describe los principios básicos de los semiconductores. Explica que los semiconductores intrínsecos tienen la misma concentración de electrones y huecos (n = p = ni) que aumenta con la temperatura. También describe cómo los semiconductores extrínsecos (dopados) tienen una mayor concentración de electrones (tipo N) o huecos (tipo P) debido a las impurezas dopantes, lo que aumenta su conductividad. Finalmente, proporciona ejemplos específicos de dopantes como el fósforo y boro para el silicio
2. SEMICONDUCTORES
Mientras que en los metales el número de portadores es
constante, del orden de 1028
𝑚−3
, independientemente del valor de
la temperatura, en los semiconductores al crecer la temperatura
crece la agitación térmica, se rompen enlaces atómicos, y se
crean pares de electrón-hueco, el número de portadores de carga
aumenta.
3. MATERIAL SEMICONDUCTOR
INTRÍNSECO
Es un material extremadamente puro contiene una cantidad insignificante
de átomos de impurezas. En él se cumple: n =·p = ni.
Las oscilaciones electromagnéticas de frecuencia n superior a una 𝒗 𝟎
propia de cada semiconductor: 𝑬 𝒈= 𝒉𝒗 𝟎 =
𝒉𝒄
𝝀 𝟎
son más o menos
absorbidas.
Los fotones absorbidos rompen algunos enlaces y se crean pares de
electrón-hueco de origen óptico que se adicionan a los de origen
térmico.
A 0K su BV está llena de electrones, su BC está vacía y su Eg < 2eV.
A temperatura de 0K es un aislante.
4. Al crecer la temperatura la agitación
térmica rompe algunos enlaces que
quedan incompletos.
Cada enlace roto crea un par de
portadores, electrón y hueco.
El semiconductor se transforma en un
débil conductor.
Los electrones liberados suben a la BC
y se mueven por toda la red cristalina.
5. Los enlaces incompletos, con un solo electrón,
denominados huecos, h+, se mueven en la BV en el
sentido de que el enlace roto se va intercambiando entre
enlaces de átomos adyacentes.
La energía requerida pasa romper un enlace o crear un par
electrón-hueco, es el ancho de la BP, Eg.
La carga del hueco es positiva, +e, y su masa efectiva es
m*h.
6. MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA: Conducción
intrínseca.
Como los electrones y huecos se crean por
pares las concentraciones intrínsecas de
electrones ni y de huecos pi son iguales ni
= pi, en el caso del Si es del orden de ni =
pi =1016 𝑚−3 a temperatura de ambiente.
El número de átomos de Si por metro
cúbico, n(Si), es n(Si) =𝟓 ∗ 𝟏𝟎 𝟐𝟖 𝒂𝒕𝒐𝒎𝒐𝒔/
𝒎 𝟑
cada uno tiene cuatro enlaces, el
número de enlaces es 𝟐 ∗ 𝟏𝟎 𝟐𝟗
𝒆𝒏𝒍𝒂𝒄𝒆𝒔/
𝒎 𝟑 y la proporción de enlaces rotos es
𝟏𝟎 𝟏𝟔
𝟐∗𝟏𝟎 𝟐𝟗 ≈ 𝟏/𝟏𝟎 𝟏𝟑.
8. En un semiconductor perfecto, las
concentraciones de electrones y de huecos son
iguales: n =·p = ni
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.
9. Dependencia con la Temperatura: Gráfico ni
= f(T).
MODELO DE BANDAS DE
ENERGÍA
10. Estos se obtienen artificialmente añadiendo impurezas a los
semiconductores intrínsecos, se denominan DOPADOS.
Clases:
Semiconductores N
Semiconductores P
Los elementos dopantes genera en éste:
Electrones en la BC, donadores, de concentración Nd, o
huecos en la BV aceptores, de concentración Na.
SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO (dopado)
11. DOPADO
Un pequeño porcentaje de átomos del SC intrínseco se
sustituye por átomos de otro elemento (impurezas o
dopantes).
Estas impurezas sustituyen a los átomos de Silicio en el
cristal formando enlaces.
De este modo podemos:
a) Favorecer la aparición de electrones (Semiconductores
Tipo N: donde n > p).
b) Favorecer la aparición de huecos (Semiconductores Tipo
P: donde p>n).
12. TIPO-N TIPO-P
Conducen casi
exclusivamente por
electrones, tales como el P y
Se que son dopantes
donadores para el Si y el
AsGa, sustituyendo en la red
los átomos de Si y As
respectivamente.
Conducen casi
exclusivamente por huecos,
tales como el B y Be que son
dopantes aceptores para el Si
y el AsGa, sustituyendo en la
red los átomos de Si y Ga
respectivamente.
Tal y como experimentalmente se detecta, el coeficiente Hall
es negativo para electrones y
positivos para huecos:
13. 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,
300K) el 5º electrón se separa del
átomo y pasa la banda de
conducción.
14. En un semiconductor tipo n, los dopantes contribuyen a la
existencia “extra de electrones”, lo cual aumenta
“enormemente” la conductividad debida a electrones n >>·p
DONADORES Y ACEPTADORES PARA EL
SI
La impureza fija en el espacio quedará IONIZADA (carga +).
15. MATERIAL EXTRÍNSECO TIPO N
Impurezas del grupo V de la tabla periódica.
Con muy poca energía se ionizan (pierden un electrón). Los
portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son
Electrones libres.
16. MATERIAL EXTRÍNSECO TIPO P
Impurezas del grupo III de la tabla periódica AT=300K todos los
átomos de impureza han captado un electrón.
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P
son Huecos: Actúan como portadores de carga positiva.
