1. UNIVERSIDAD ESTATAL DE
BOLIVAR
FACULTAD: CIENCIAS
ADMINISTRATIVAS GESTION
EMPRESARIAL E INFORMATICA
ESCUELA DE SISTEMAS
ELECTRONICA BASICA
TEMA: NIVELES Y BANDAS DE ENERGIA
SEMICONDUCTORES
NIVEL: CUARTO
ING. ROBERTO RODRIGUEZ

2. Todos los diodos, transistores y circuitos integrados están hechos de materiales
semiconductores.
semiconductores
A fin de comprender como funcionan los dispositivos electrónicos es necesario un
conocimiento básico sobre la teoría atómica y la estructura de los materiales
semiconductores.
ATOMOS
Toda materia esta compuesta por átomos y todos los átomos están constituidos
por electrones, protones y neutrones.
ESTRUCTURA DEL ATOMO
Un átomo es la partícula mas pequeña de un elemento que retiene las
características de ese elemento. Cada elemento conocido tiene átomos que
difieren de los átomos de todos los demás elementos. Esto da a cada elemento
una estructura atómica única.
Los átomos tienen una estructura de tipo planetario que consiste en un núcleo
central rodeado de electrones orbítales, como se ilustra en la figura:

3. Partes del Átomo:
El núcleo esta formado por partículas cargadas positivamente, llamadas
protones y partículas sin carga, llamadas neutrones.
Los electrones son partículas fundamentalmente de carga negativa.
Cada tipo de átomo tiene un cierto numero de electrones y protones que lo
distinguen de los átomos de todos los otros elementos. Por ejemplo: el átomo mas
simple es el de hidrogeno tiene un protón y un electrón como se muestra en la
figura 1, El átomo de helio tiene dos protones y dos neutrones en el núcleo,
orbitados por los dos electrones, como se muestra en la figura 2.
Figura 1 Figura 2

4. PESO Y NUMERO ATOMICO
Todos los elementos están dispuestos en la tabla periódica de los elementos
en un orden según su numero atómico, que es igual al numero de electrones
en un átomo (neutro) equilibrado eléctricamente. Los elementos también
pueden ordenarse según su peso atómico, que es aproximadamente el
numero de protones y neutrones en el núcleo.
En su estado normal o neutro, todos los átomos de un elemento dado tienen
el mismo número de electrones y protones; las cargas positivas cancelan a las
negativas y el átomo tiene una carga neta igual a cero.
CAPAS Y ORBITAS ELECTRONICAS
Los electrones orbitan al núcleo a ciertas distancias de el. Los electrones
cercanos al núcleo poseen menos energía que los de orbita mas distantes.
Los electrones deben orbitar solo a distancias discretas del núcleo.
Cada distancia discreta (orbita) al núcleo corresponde un cierto nivel
energético. En un átomo, las orbitas se agrupan en bandas energéticas
conocidas como capas. Un átomo dado posee un numero fijo de capas. Cada
capa tiene un numero máximo fijo de electrones en niveles energéticos
permisibles (orbitas). Cada capa se designan con las letras K, L, M, N y así
sucesivamente, siendo la capa K la mas próxima al núcleo.

5. ELECTRONES DE
VALENCIA
Los electrones en las orbitas mas alejadas del núcleo están mas
débilmente ligados al átomo que los mas cercanos al núcleo. Esto se debe
a que la fuerza de atracción entre el núcleo cargado positivamente y los
electrones cargados negativamente disminuye al aumentar la distancia.
Los electrones con los niveles energéticos mas altos se encuentran en la
capa mas alejada del átomo y están relativamente poco ligados al átomo.
Estos electrones de valencia contribuyen a las reacciones químicas y al
enlace dentro de la estructura del material. La valencia de un átomo es el
numero de electrones que hay en su capa mas alejada.

6. IONIZACION
Cuando un átomo absorbe energía de una fuente calorífica o de la luz, por
ejemplo, los niveles energéticos de los electrones se elevan. Cuando un
electrón gana energía, pasa a una orbita mas alejada del núcleo. Como los
electrones de valencia poseen mas energía y están ligados mas débilmente al
átomo que los electrones interiores, pueden saltar a orbitas mas altas mas
fácilmente cuando absorben energía externa.
Si un electrón de valencia adquiere una cantidad suficiente de energía, puede
removerse completamente de la capa exterior y de la influencia del átomo. La
salida de un electrón de valencia deja a un átomo previamente neutro con un
exceso de carga positiva (mas protones que electrones). El proceso de perder
un electrón de valencia se conoce como ionización y el átomo resultante
cargado positivamente, se denomina Ion positivo. el electrón de valencia que
escapo se denomina electrón libre. Cuando un electrón libre cae en la capa
externa de un átomo neutro, el átomo se carga negativamente (mas electrones
que protones) y se denomina Ion negativo.

7. ATOMOS DE SILICIO Y GERMANIO
Dos tipos de materiales semiconductores usados en la fabricación de diodos,
transistores y otros dispositivos son el silicio y el germanio. Ambos átomos de
silicio y germanio tienen cuatro electrones de valencia. Difieren en que el silicio
tiene 14 protones y el germanio tiene 32.
El silicio es por mucho el mas ampliamente utilizado.

8. ENLACES COVALENTES
Cuando los átomos de silicio se combinan para formar un material sólido, se
disponen en un patrón fijo denominado cristal. Los átomos dentro de la
estructura cristalina se mantienen unidos mediante enlaces covalentes , que
se crean por interacción de los electrones de valencia de los átomos. Un trozo
sólido de silicio es un material cristalino. En la siguiente figura se muestra como
se coloca cada átomo de silicio con cuatro átomos adyacentes. Un átomo de
silicio con sus cuatro electrones de valencia comparte un electrón con cada uno
de sus cuatro vecinos. Lo anterior crea efectivamente ocho electrones de valencia
para cada átomo y produce un estado de estabilidad química.
Esta repartición de
electrones de valencia
produce los enlaces
covalentes que
mantienen juntos a los
átomos. Un cristal de silicio
puro es también llamado
intrínseco.
Electrones de valencia compartida Enlaces covalentes en un cristal de
forman enlaces covalentes silicio puro (intrínseco)

9. CONDUCCION EN CRISTALES SEMICONDUCTORES
La manera en que un material conduce corriente eléctrica es muy importante
para comprender como operan los dispositivos electrónicos. El funcionamiento
de un dispositivo como un diodo o un transistor no puede comprenderse
completamente sin conocer algo acerca del fenómeno de corriente básica y el
por que algunos elementos son mejores conductores que otros.
Los electrones de un átomo pueden existir solo dentro de bandas energéticas
preescritas.
Aquí se muestra el silicio a temperatura de cero absoluto o no excitado.
Energía
Banda de Conducción
Banda de Espacios de
Valencia energía (no hay
electrón)
Segunda Banda
Primera Banda

10. ELECTRONES Y HUECOS
Energía
Banda de Conducción Electrón Libre
Banda de Hueco Energía
Valencia Calorífica
Cuando un cristal de silicio puro a
Segunda Banda temperatura ambiente absorbe energía
calorífica provoca que algunos
electrones de valencia ganen suficiente
Primera Banda energía para saltar desde la banda de
valencia hasta la banda de conducción
Diagrama de Energía
convirtiéndose en electrones libres,
también llamados electrones de
Energía
Electrón Libre conducción.
Calorífica
Cuando un electrón salta a la banda de
conducción deja una vacante en la
banda de valencia, a esta vacante se la
denomina Hueco. Por cada electrón que
Si Si
se eleva a la banda de conducción hay
un Hueco en la banda de valencia,
creando lo que se denomina par
electrón-hueco
Diagrama de Enlace

11. ELECTRONES Y HUECOS
La recombinación ocurre cuando un electrón en la banda de conducción pierde
energía y cae nuevamente en un hueco en la banda de valencia
Hueco.
Ausencia de un electrón en la órbita de valencia. Por
ejemplo, cada átomo en un cristal de silicio tiene
normalmente ocho electrones en la órbita de valencia.
Por medio de energía calorífica es posible sacar uno de
los electrones de valencia produciéndose así un hueco.
El hueco es, en el fondo, una partícula imaginaria que
solo se utiliza para explicar el comportamiento físico de
los materiales.
El aumento de temperatura rompe algunas
uniones entre átomos liberándose un cierto
número de electrones.

12. GERMANIO CONTRA SILICIO
El cristal de germanio es semejante a la del silicio salvo que, en virtud de su
estructura atómica, el germanio puro tiene mas electrones libres que el silicio y,
por tanto, una conductividad más alta. Sin embargo, el silicio es el material
semiconductor preferido y se usa más ampliamente que el germanio. Una
razón que explica lo anterior es que el silicio puede utilizarse a una temperatura
mucho más elevada que el germanio.
CORRIENTE ELECTRONICA Y DE HUECOS
Cuando se aplica un voltaje a través de una pieza de silicio intrínseco, los
electrones libres generados térmicamente en la banda de conducción son
fácilmente atraídos hacia el extremo positivo. A ese movimiento de electrones
libres se denomina corriente de electrones.
Otro tipo de corriente ocurre en el nivel de valencia, donde existen huecos
creados por los electrones de valencia. Los electrones que permanecen en la
banda de valencia continúan adheridos a sus átomos y nos son libres para
moverse aleatoriamente en la estructura cristalina. Sin embargo, un electrón de
valencia puede caer en un hueco próximo, con poco cambio en su nivel
energético, dejando así otro hueco en su lugar de procedencia. Efectivamente el
hueco se ha movido de un lugar a otro en la estructura cristalina, a este
movimiento se le denomina corriente de huecos.

13. CORRIENTE ELCTRONICA Y DE HUECOS
Hueco
Electrón de
valencia
Corriente de Hueco
La corriente de electrones en silicio intrínseco es
producida por el movimiento de electrones libres
generados térmicamente

14. SEMICONDUCTORES, CONDUCTORES Y AISLANTES
En un semiconductor puro (intrínseco) hay relativamente pocos electrones
libres, por lo que ni el silicio ni el germanio son muy útiles en su estado
intrínseco. No son aisladores ni buenos conductores, pues la corriente en un
material depende directamente del numero de electrones libres.
Una comparación de las bandas energéticas para los tres tipos de materiales
se presenta en la siguientes figuras, en ellas se muestra las diferencias
esenciales entre ellos, con respecto a la conducción.
Las bandas de valencia y de conducción en un conductor como el cobre se
traslapan, de modo, que siempre hay muchos electrones de conducción. Aun
sin la aplicación de energía externa, muchos electrones de valencia en un
conductor ya poseen energía suficiente para saltar a la banda de conducción.

15. Semiconductores de
Tipo N y P

16. Semiconductores de
tipo N y P
Los materiales semiconductores no permiten
bien el paso de corriente, por lo que tienen muy
poco valor en su estado intrínseco.
Ejemplos de semiconductores son :
El germanio y el silicio.

17. Dopado
La conductividad del silicio y del germanio
pueden incrementar mediante la adición
controlada de impurezas al material puro.
Este proceso se le denomina dopado.
Las categorías de impurezas son:
•tipo
P
•tipo
N

18. Semiconductor Tipo N
Para aumentar el numero de electrones en la
banda de conducción del silicio puro se añaden
átomos de impureza PENTAVALENTES, como el
arsenio, fósforo y antimonio.
Un electrón creado por medio de este proceso de
dopado no deja ningún hueco en la banda de valencia.
Figura 1-13 Átomo de impureza
pentavalente en un cristal de silicio. En
el centro se observa un átomo de
impureza de antimonio (Sb). El electrón
adicional se vuelve un electrón libre.

19. El material dopado de esta manera es un
semiconductor tipo N.
N representa la carga negativa en un electrón.
En este tipo N los electrones se denominan
portadores mayoritarios y los huecos portadores
minoritarios.

20. Semiconductor Tipo P
A fin de incrementar el numero de huecos en el
silicio puro se añaden átomos de impurezas
trivalentes como el aluminio, boro, galio.
Un hueco creado de esta forma no va
acompañado de un electrón libre
Figura 1-14 Átomo de
impureza trivalente en un cristal de
silicio. En el centro se observa un
Átomo de impureza de boro (B).

21. El material impurificado de esta forma se
denomina semiconductor tipo P.
Los huecos pueden concebirse con carga positiva.
En este semiconductor tipo P los huecos son
denominados portadores mayoritarios y los electrones
portadores minoritarios.

22. Capa de Empobrecimiento
Al formarse la unión, algunos de los electrones de
conducción cercano se difunden a través de la región P y se
recombinan con huecos.
Cada electrón que cruza y se recombina con un hueco
en la región N, a la unión queda un átomo pentavalente con
carga positiva (Ion positivo).
Cuando el electrón se recombina con un hueco en la
región P queda un átomo trivalente con carga negativa (Ion
negativo).
Al formarse las capas iónicas, el área de ambos de la
unión queda desprovisto de electrones y huecos, esto se
denomina capa de empobrecimiento.
empobrecimiento

23. La existencia de iones positivos y negativos en
caras opuestas crea un potencial de barrera(VB ) a
través de la capa de empobrecimiento, como se indica
en la figura siguiente.
Figura 1-16 Condición de equilibrio de la unión pn. Los pocos electrones en
la región p (puntos oscuros) y los pocos huecos (círculos vacíos) en la región n
son los portadores minoritarios creados por pares electrón-hueco producidos
térmicamente.

24. GRACIAS