semiconductores 1

1. SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS"
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.
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.

2. La 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.

3. Cada átomo de un semiconductor tiene 4 electrones en su
órbita externa (electrones de valencia), que comparte con
los átomos adyacentes formando 4 enlaces covalentes. De
esta manera cada átomo posee 8 electrones en su capa
más externa., formando una red cristalina, en la que la
unión entre los electrones y sus átomos es muy fuerte.
Por consiguiente, en dicha red, los electrones no se
desplazan fácilmente, y el material en circunstancias
normales se comporta como un aislante.
Los electrones y los huecos reciben el nombre
de portadores. La conducción eléctrica a través
de un semiconductor es el resultado del
movimiento de electrones (de carga negativa) y
de los huecos (cargas positivas) en direcciones
opuestas al conectarse a un generador. Si se
somete el cristal a una diferencia de potencial
se producen dos corrientes eléctricas: una
debida al movimiento de los electrones libres
de la estructura cristalina, y otra debida al
desplazamiento de los electrones en la banda
de valencia, que tenderán a saltar a los huecos
próximos, originando una corriente de huecos.
Los electrones libres se dirigen hacia el polo
positivo de la pila (cátodo), mientras que los
huecos pueden considerarse como portadores
de carga positiva y se dirigen hacia el polo
negativo de la pila, llamado ánodo (hay que
considerar que por el conductor exterior sólo
circulan los electrones que dan lugar a la
corriente eléctrica; los huecos sólo existen en
el seno del cristal semiconductor).

4. 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
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 N
Semiconductor tipo P

5. 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 semiconductores. 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.

6. 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.