Semiconductores: Intrinsecos, Dopados

1. SEMICONDUCTORES
INTRINSECOS Y DOPADOS
RENZO NACHO ENCISO
COLLAO
CICLO IV
FISICA ELECTRONICA

2. LOS SEMICONDUCTORES
Hoy en día nos resulta imposible, imaginar nuestras vidas sin dispositivos electrónicos:
radios, relojes, televisores, tablets, teléfonos, ordenadores, consolas, etc.
Todos ellos son posibles gracias a un tipo de materiales, los semiconductores.
Los semiconductores son materiales con coeficientes de resistividad de valores
intermedios entre los materiales conductores y los aislantes. Son materiales que en
circunstancias normales no conducen la electricidad, pero que 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, se
vuelven conductores.

3. LOS ELEMENTOS QUÍMICOS
SEMICONDUCTORES DE LA TABLA
PERIÓDICA
El elemento semiconductor más usado es el
silicio, el segundo el germanio, aunque
idéntico comportamiento presentan las
combinaciones de elementos de los grupos
12 y 13 con los de los grupos 16 y 15
respectivamente (GaAs, PIn, AsGaAl, TeCd,
SeCd y SCd). Posteriormente se ha
comenzado a emplear también el azufre. La
característica común a todos ellos es que
son tetravalentes, teniendo el silicio una
configuración electrónica s²p².

4. SEMICONDUCTORES INTRINSECOS
Un material semiconductor hecho sólo de
un único tipo de átomo, se denomina
semiconductor intrínseco.
Los más empleados históricamente son el
germanio (Ge) y el silicio (Si); siendo éste
último el más empleado (por ser mucho
más abundante y poder trabajar a
temperaturas mayores que el germanio).
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.
Sin embargo, al aumentar la temperatura,
los electrones ganan energía, por lo que
algunos pueden separarse del enlace e
intervenir en la conducción eléctrica. De
esta manera, la resistividad de un
semiconductor disminuye con la
temperatura.

5. Incluso a temperatura ambiente, algunos
electrones de valencia absorben suficiente
energía calorífica para librarse del enlace
covalente y moverse a través de la red
cristalina, convirtiéndose en electrones
libres. Si a estos electrones, se les somete
al potencial eléctrico, como por ejemplo de
una pila, se dirigen al polo positivo.
Cuando un electrón libre abandona el
átomo de un cristal de silicio, deja en la
red cristalina un hueco, cuyo efecto es
similar al que provocaría una carga
positiva.
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
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).

6. Tomemos Como Ejemplo El Silicio En Su Modelo Bidimensional:
Cada átomo de silicio se rodea de sus 4 vecinos próximos con lo que comparte sus
electrones de valencia. A 0ºk todos los electrones hacen su papel de enlace y tienen
energías correspondientes a la banda de valencia. Esta banda estará completa, mientras que
la de conducción permanecerá vacía. Es cuando hablamos de que el conductor es un
aislante perfecto.
Ahora bien, si aumentamos la temperatura,
aumentará por consiguiente la energía cinética
de vibración de los átomos de la red, y algunos
electrones de valencia pueden absorber de los
átomos vecinos la energía suficiente para
liberarse del enlace y moverse a través del
cristal como electrones libres. Su energía
pertenecerá a la banda de conducción, y cuanto
más elevada sea la temperatura más electrones
de conducción habrá, aunque ya a temperatura
ambiente podemos decir que el semiconductor
actúa como conductor.

7. Si un electrón de valencia se convierte en electrón de conducción deja una posición vacante,
y si aplicamos un campo eléctrico al semiconductor, este “hueco” puede ser ocupado por
otro electrón de valencia, que deja a su vez otro hueco. Este efecto es el de una carga +e
moviéndose en dirección del campo eléctrico. A este proceso le llamamos ‘generación
térmica de pares electrón-hueco’. Paralelamente a este proceso se da el de ‘recombinación’.
Algunos electrones de la banda de conducción
pueden perder energía (emitiéndola en forma de
fotones), y pasar a la de valencia ocupando un
nivel energético que estaba libre,
“recombinándose” con un hueco. A temperatura
constante, se tendrá un equilibrio entre estos dos
procesos, con el mismo número de electrones en
la banda de conducción y de huecos en la de
valencia.
Este fenómeno de la conducción asociada a la
formación de pares en el semiconductor se
denomina conducción intrínseca. Se cumple que p
= n = ni --> Donde p y n son las concentraciones
de huecos y electrones respectivamente, y ni es la

8. SEMICONDUCTORES DOPADOS
En la producción de semiconductores, se
denomina dopaje al proceso intencional
de agregar impurezas en un
semiconductor extremadamente puro
(también referido como intrínseco) 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.

9. HISTORIA
El dopaje fue desarrollado originalmente por
John Robert Woodyard mientras trabajaba
para la Sperry Gyroscope Company durante la
Segunda Guerra Mundial.1 La demanda de su
trabajo sobre el radar durante la guerra no le
permitió desarrollar más profundamente la
investigación sobre el dopaje, pero durante la
posguerra se generó una gran demanda
iniciada por la compañía Sperry Rand, al
conocerse su importante aplicación en la
fabricación de transistores.
A continuación el esquema del campo
eléctrico creado en una célula fotovoltaica
mediante la unión pn entre dos capas de
semiconductores dopados.

10. ELEMENTOS DOPANTES
Un elemento dopante, es un agente de
impureza que se inserta en una sustancia
cristalina con el fin de alterar las
propiedades eléctricas u ópticas de la
misma. Los átomos del dopante toman el
lugar de los elementos que estaban en la
red cristalina del material.
Para los semiconductores del Grupo IV
como Silicio, Germanio y Carburo de
silicio, los dopantes más comunes son
elementos del Grupo III o del Grupo V.
Boro, Arsénico, Fósforo, y ocasionalmente
Galio, son utilizados para dopar al Silicio.

11. ELEMENTO DOPANTE TIPO N
Es el 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.
Ejemplo de dopaje de Silicio por el
Fósforo (dopaje N). En el caso del
Fósforo, se dona un electrón.

12. ELEMENTO DOPANTE TIPO P
Es el 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
Ejemplo de dopaje de Silicio por el
Boro (P dopaje). Al boro le falta un
electrón, por tanto, es donado un
hueco de electrón.

13. SEMICONDUCTOR DOPADO
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.
Al ser esta corriente de pequeño valor, son
pocos los electrones que podemos arrancar de
los enlaces entre los átomos de silicio. Para
aumentar el valor de dicha corriente tenemos
que introducir previamente en el semiconductor
electrones o huecos desde el exterior (dopaje).
El dopaje consiste en sustituir algunos átomos
de silicio por átomos de otros elementos
(impurezas). Dependiendo del tipo de impureza
con el que se dope al semiconductor puro o
intrínseco resultaran: Semiconductores tipo P y
Semiconductores tipo N.

14. DOPAJE EN CONDUCTORES ORGANICOS
Los polímeros conductores pueden ser
dopados al agregar reactivos químicos que
oxiden el sistema, para ceder electrones a
las órbitas conductoras dentro de un sistema
potencialmente conductor.
Existen dos formas principales de dopar un
polímero conductor, ambas mediante un
proceso de reducción-oxidación. En el
primer método, dopado químico, se expone
un polímero, como la melanina (típicamente
una película delgada), a un oxidante
(típicamente yodo o bromo) o a un agente
reductor (típicamente se utilizan metales
alcalinos, aunque esta exposición es
bastante menos común). El segundo método
es el dopaje electroquímico, en la cual un
electrolítica, en la cual el polímero es
insoluble, junto al electrodo opuesto,
separados ambos. Se crea una diferencia de
potencial eléctrico entre los electrodos, la
cual hace que una carga ingrese en el
polímero en la forma de electrones
agregados (dopaje tipo N) o salgan del
polímero (dopaje tipo P), según la
polarización utilizada.
La razón por la cual el dopaje tipo N es
mucho menos común es que la atmósfera de
la tierra, la cual es rica en oxígeno, crea un
ambiente oxidante. Un polímero tipo N rico
en electrones reaccionaría inmediatamente
con el oxígeno ambiental y se desdoparía (o
reoxidaría) nuevamente el polímero,

15. EJEMPLOS Y USOS DE DOPAJES:
El boro, arsénico, fósforo, antimonio, entre otras sustancias, se usan comúnmente como
dopantes en la industria de semiconductores.
o Dopantes para el silicio y el germanio, el grupo IV semiconductores:
 Donantes: grupos átomos V: antimonio, fósforo, arsénico
 Aceptantes: grupos átomos III: boro, aluminio, galio
o Dopantes para el arseniuro de galio, un semiconductor III-V de grupo:
 Donantes: grupo VI y del grupo IV: átomos de azufre, selenio, telurio, silicio,
germanio.
 Aceptadores de: magnesio, zinc, cadmio, silicio, germanio: grupo átomos de
grupo II y IV

16. EJEMPLOS Y USOS DE DOPAJES:
El campo de la medicina tiene algún uso para los cristales láser dopados con erbio para
los escalpelos láser que se utilizan en la cirugía con láser. Europio, neodimio, y otros
elementos de tierras raras se utilizan para gafas de droga para el láser. Dopado con
holmio y de neodimio itrio granates de aluminio se utilizan como el medio de láser activa
en algunos escalpelos láser.
El color de algunas piedras preciosas es causada por agentes de dopado. Por ejemplo,
rubí y el zafiro son tanto óxido de aluminio, la antigua conseguir su color rojo de átomos
de cromo, y el segundo dopado con cualquiera de varios elementos, dando una variedad
de colores.

17. FUENTES DE INFORMACIÓN
• http://fisicauva.galeon.com/aficiones1925812.html
• http://pelandintecno.blogspot.com/2014/04/semiconductores-intrinsecos-y.html
• http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor
• http://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_%28semiconductores%29
• http://docsetools.com/articulos-para-saber-mas/article_45842.html
• http://queaprendemoshoy.com/semiconductores-dopantes-y-sus-modificaciones-en-
las-bandas-de-energia/
• http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/dopado.asp
• http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/dopado.asp