3. Semiconductor 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. Los elementos químicos semiconductores de
la tabla periódica se indican en la tabla adjunta.
Elemento Grupos
Electrones en
la última capa
Cd 12 2 e-
Al, Ga, B, In 13 3 e-
Si, C, Ge 14 4 e-
P, As, Sb 15 5 e-
Se, Te, (S) 16 6 e-
4. 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.
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+)
Representación
bidimensional de la
estructura cristalina del Si
5. n =·p = ni
n: nº electrones/m3
p: nº electrones/m3
ni: densidad intrínseca de portadores
6. 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 FFI-UPV.es
Modelo de bandas de energía: Conducción intrínseca
10. Semiconductor Intrínseco:
Intrínseco indica un material semiconductor
extremadamente puro contiene una cantidad
insignificante de átomos de impurezas. En él se cumple:
n =·p = ni
Semiconductor Extrínseco:
En la práctica nos interesa controlar la concentración de portadores en un semiconductor
(n o p).
De este modo se pueden modificar las propiedades eléctricas: conductividad
Para ello se procede al proceso de 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
Favorecer la aparición de electrones (Semiconductores
Tipo N: donde n > p)
¨ Favorecer la aparición de huecos (Semiconductores
Tipo P: donde p>n).
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 .
n >>·p
12. En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso intencional de agregar
impurezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido comointrínseco) 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.
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. e 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
llamandonantes 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. 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.
