Este documento describe los semiconductores intrínsecos y extrínsecos. Los semiconductores intrínsecos son puros y conducen electricidad de forma limitada. Los semiconductores extrínsecos son dopados con impurezas que mejoran su conducción. El silicio es el semiconductor más común y se utiliza para fabricar chips de computadora dopándolo con elementos como el fósforo o el boro para hacerlo tipo N o tipo P.

1. LOS SEMICONDUCTORES
INTRÍNSECOS Y LOS
SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
(dopado)

2. SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son elementos
que tienen una conductividad
eléctrica inferior a la de un
conductor metálico pero superior a la
de un buen aislante. El semiconductor
más utilizado es el silicio,
que es el elemento más abundante en
la naturaleza, después del oxígeno.
Otros semiconductores son
el germanio y el selenio.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. SEMICONDUCTORES "EXTRÍNSECOS"
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".
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.

7. 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.
A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea (wafer) o cristal semiconductor de.silicio pulida con brillo de espejo,
destinada a la fabricación de transistores y circuitos.integrados. A la derecha aparece la cuarta parte de la oblea
conteniendo cientos de.minúsculos dados o “chips”, que se pueden obtener de cada una. Esos chips son los.que
después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se convertirán en.transistores o circuitos integrados. Una vez
que los chips se han convertido en.transistores o circuitos integrados serán desprendidos de la oblea y colocados
dentro.de una cápsula protectora con sus correspondientes conectores externos.

8. El segundo elemento también utilizado como semiconductor,
pero en menor proporción que el silicio, es el cristal de germanio
(Ge).
Durante mucho tiempo se empleó también el
selenio (S) para fabricar diodos
semiconductores en forma de placas
rectangulares, que combinadas y montadas en
una especie de eje se empleaban para
rectificar la corriente alterna y convertirla en
directa. Hoy en día, además del silicio y el
germanio, se emplean también
combinaciones de otros elementos
semiconductores presentes en la Tabla
Periódica
Placa individual de 2 x 2 cm de área,
correspondiente a un antiguo diodo de selenio.

9. Entre esas combinaciones se encuentra la formada por el galio (Ga) y el
arsénico (As) utilizada para obtener arseniuro de galio (GaAs), material
destinado a la fabricación de diodos láser empleados como dispositivos de
lectura en CDs de audio.
Lente (señalada con la flecha)
detrás de la cual se encuentra
instalado un diodo láser de
arseniuro de galio (GaAs) empleado
para leer datos de texto,
presentaciones multimedia o
música grabada en un CD. En esta
ilustración el. CD se ha sustituido
por un disco similar transparente de
plástico común.

10. En el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en
estado puro, es decir, como elementos intrínsecos, los electrones de su
última órbita tienden a unirse formando "enlaces covalentes", para
adoptar una estructura cristalina. Los átomos de cualquier elemento,
independientemente de la cantidad de electrones que contengan en su
última órbita, tratan siempre de completarla con un máximo de ocho,
ya sea donándolos o aceptándolos, según el número de valencia que le
corresponda a cada átomo en específico.
Con respecto a los elementos semiconductores, que poseen sólo cuatro
electrones en su última órbita, sus átomos tienden a agruparse
formando enlaces covalentes, compartiendo entre sí los cuatro
electrones que cada uno posee, según la tendencia de completar ocho
en su órbita externa. Al agruparse de esa forma para crear un cuerpo
sólido, los átomos del elemento semiconductor adquieren una
estructura cristalina, semejante a una celosía. En su estado puro, como
ya se mencionó anteriormente, esa estructura no conduce la
electricidad, por lo que esos cuerpos semiconductores se comportan
como aislantes.

11. CONVERSIÓN DEL SILICIO EN SEMICONDUCTOR
"TIPO-N" O EN "TIPO-P"
Tanto los cristales de silicio (Si) como los de germanio (Ge) en estado
puro se pueden convertir en dispositivos semiconductores, capaces de
conducir la corriente eléctrica si para ello alteramos su estructura
molecular cristalina introduciendo ciertas cantidades de "impurezas".
Para realizar ese cambio será necesario introducir átomos de otros
elementos semiconductores apropiados que posean tres electrones en
su banda de valencia o última órbita (átomos trivalentes) o también
cinco electrones en esa propia órbita (átomos pentavalentes). A tales
efectos se consideran impurezas los siguientes elementos con átomos
trivalentes: aluminio (Al), galio (Ga) e indio (In). También se consideran
impurezas los átomos pentavalentes de arsénico (As), fósforo (P) o de
antimonio (Sb).

12. Cuando añadimos a la estructura cristalina del silicio o del germanio una
pequeña cantidad de átomos de un elemento pentavalente en función
de “impurezas”, estos átomos adicionales reciben el nombre de
"donantes", porque cada uno dona o cede uno de sus cinco electrones a
la estructura cristalina del semiconductor. Si, por el contrario, los
átomos que se añaden como impurezas son trivalentes, se denominan
entonces "aceptantes”, porque cada uno tendrá que captar o aceptar un
electrón procedente de la propia estructura cristalina del silicio o del
germanio.
La conductividad que presente finalmente un semiconductor
“dopado” dependerá de la cantidad de impurezas que contenga en su
estructura cristalina. Generalmente para una proporción de un átomo
de impureza que se añade por cada 100 millones de átomos del
elemento semiconductor, la conductividad aumenta en 16 veces.

13. En general, los semiconductores extrínsecos presentan una conductividad
eléctrica mayor que la de los semiconductores intrínsecos. Por este motivo,
en la fabricación de dispositivos electrónicos se utilizan principalmente
semiconductores extrínsecos (silicio tipo P y silicio tipo N).

14. MECANISMO DE CONDUCCIÓN DE UN
SEMICONDUCTOR
Cuando a un elemento semiconductor le
aplicamos una diferencia de potencial o corriente
eléctrica, se producen dos flujos contrapuestos:
uno producido por el movimiento de electrones
libres que saltan a la “banda de conducción” y
otro por el movimiento de los huecos que quedan
en la “banda de valencia” cuando los electrones
saltan a la banda de conducción.

15. Cuando aplicamos una diferencia de
potencial a un.elemento
semiconductor, se establece
una.“corriente de electrones” en un
sentido y otra.“corriente de huecos”
en sentido opuesto.

16. Si analizamos el movimiento que se produce dentro de la estructura
cristalina del elemento semiconductor, notaremos que mientras los
electrones se mueven en una dirección, los huecos o agujeros se
mueven en sentido inverso. Por tanto, el mecanismo de conducción de
un elemento semiconductor consiste en mover cargas negativas
(electrones) en un sentido y cargas positivas (huecos o agujeros) en
sentido opuesto.
Ese mecanismo de movimiento se denomina "conducción propia
del semiconductor", que para las cargas negativas (o de electrones)
será "conducción N", mientras que para las cargas positivas (de
huecos o agujeros), será "conducción P".

17. Lugar que ocupan en la Tabla Periódica los trece elementos con.
Características de semiconductores, identificados con su
correspondiente. Número atómico y grupo al que pertenecen.
Los que aparecen con fondo.
gris corresponden a “metales”, los de fondo verde a “metaloides” y
los de. Fondo azul a “no metales”.