Este documento presenta información sobre los fundamentos de los materiales semiconductores. Explica los diferentes estados de la materia, las estructuras cristalinas de los sólidos, el modelo de Bohr y las bandas de energía. Luego describe los semiconductores intrínsecos y extrínsecos, indicando que los primeros son puros mientras que los segundos contienen impurezas dopantes que los convierten en tipo P o tipo N. Finalmente, menciona que los semiconductores son la base de los componentes electrónicos activos.

1. INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEZIUTLÁN
MATERIA:
SISTEMAS ELECTRÓNICOS
PARA INFORMÁTICA
AGOSTO / DICIEMBRE 2016

2. SESIÓN 4:
FUNDAMENTOS DE
MATERIALES
SEMICONDUCTORES

3. ESTADOS FÍSICOS DE LA MATERIA
Estructura Fija y
Estática.
Enlaces Rígidos
Estructura que se adapta a la
forma del contenedor.
Moléculas Dispersas
Estructura no definida, pero
abarca todo el espacio.
Moléculas Dispersas

4. SÓLIDOS CRISTALINOS
Estructura que toman los sólidos, en especial los metales, cuyos enlaces toman un «molde
base» y éste se replica o se observa por todo el cristal.
SÓLIDO CRISTALINO O CRISTAL

5. SÓLIDOS CRISTALINOS
ESTRUCTURAS ELEMENTALES DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS
La estructura más común que toman los cristales es la forma cúbica, en particular los
materiales que se utilizan para la fabricación de componentes electrónicos.
Red Cúbica Simple Red Cúbica Centrada
en el Cuerpo
Red Cúbica Centrada
en las Caras

6. REDES O ESTRUCTURAS DE BRAVAIS

7. MODELO DE BOHR, NIVELES
ENERGÉTICOS Y ENLACES COVALENTES

8. MODELO DE BOHR DE NIVELES ENERGÉTICOS DEL ÁTOMO
El modelo de Bohr es una representación
gráfica de un átomo.
Se asemeja al modelo planetario del
sistema solar.
El núcleo se muestra al centro, mientras
que los electrones orbitan alrededor de él.
Las órbitas que se forman se denominan
Niveles Energéticos, y cada uno soporta un
número establecido de electrones.
MODELOS DE BOHR

9. MODELO DE BOHR DE NIVELES ENERGÉTICOS DEL ÁTOMO
K = 2 Electrones
L = 8 Electrones
M = 18 Electrones
N = 32 Electrones
O = 32 Electrones
P = 18 Electrones
Q = 8 Electrones

10. MODELO DE BOHR DE NIVELES ENERGÉTICOS DEL ÁTOMO
ELECTRONES DE VALENCIA
En un átomo, los electrones situados en
los Niveles 1 (K) y 2 (L) los electrones
están fuertemente ligados al núcleo, por
tanto no es posible perturbarlos o
moverlos.
Los electrones situados en el último nivel
tienen un enlace más débil con el
núcleo, y son capaces de unirse o
combinarse con otros átomos de su
mismo tipo o diferentes.
Los electrones situados en el último nivel
energético se denominan Electrones de
Valencia.

11. ENLACES COVALENTES
ENLACES COVALENTES
Un enlace covalente es la unión entre dos o más átomos mediante sus electrones de
valencia.

12. ENLACES COVALENTES
ENLACES COVALENTES
Todos los átomos que forman un enlace covalente, siguen un patrón de unión denominado
Octeto Estable.

13. ENLACES COVALENTES POLARES
ENLACES COVALENTES
Los enlaces covalentes son posibles entre elementos diferentes o del mismo tipo, sin
embargo hay elementos que ejercen mayor atracción eléctrica que otros (mayor número de
electrones de valencia). Un Enlace Covalente es Polar si entre los elementos unidos existe
un cierto grado de Electronegatividad, es decir, que uno sea más negativo que otro.
H Cl H Cl
ENLACE COVALENTE POLAR
Hidrógeno
(Menor
Electronegatividad) Cloro
(Mayor Electronegatividad)

14. MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA

15. MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA
BANDA DE VALENCIA
BANDA PROHIBIDA
(BAND GAP)
BANDA DE
CONDUCCIÓN
El modelo de bandas de energía es una representación gráfica de la estructura
electrónica de un material sólido.
ESTRUCTURA O MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA

16. MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA
BANDA DE VALENCIA
BANDA PROHIBIDA
(BAND GAP)
BANDA DE
CONDUCCIÓN
Banda en la cual se encuentran los Electrones de Valencia
de un conjunto de átomos.
BANDA DE VALENCIA
Banda en la cual se ubican los Electrones Libres, los cuales
se hallan separados de los átomos y permiten la
conducción de una corriente eléctrica
BANDA DE CONDUCCIÓN
Banda que representa una separación entre la Banda de
Conducción y la de Valencia, cuyo tamaño determina si el
sólido permite la conducción libre de electrones o si se
comporta como un aislante.
BANDA PROHIBIDA O BAND GAP

17. BANDA DE VALENCIA
BANDA PROHIBIDA
(BAND GAP)
BANDA DE CONDUCCIÓN
BANDA DE VALENCIA
BANDA DE
CONDUCCIÓN
BANDA DE VALENCIA
BANDA PROHIBIDA
(BAND GAP)
BANDA DE
CONDUCCIÓN
MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA
AISLANTE CONDUCTOR SEMICONDUCTOR

18. TEORÍA BÁSICA DE MATERIALES
SEMICONDUCTORES

19. MATERIALES SEMICONDUCTORES
Material sólido que posee propiedades de conducción y aislamiento intermedios.
En la naturaleza los semiconductores cristalizan en forma de Red Centrada en las Caras.
Dependiendo de su estructura y de sus elementos, pueden ser Intrínsecos o Extrínsecos.
SEMICONDUCTOR

20. ELEMENTOS SEMICONDUCTORES COMUNES
ELEMENTO NÚMERO ATÓMICO ELECTRONES DE VALENCIA FORMA NATURAL
14 4
En forma de Sílice,
Cuarzo, Ágata, Jaspe,
Ónice o presente en
Esqueletos Marinos.
32 4
Presente en yacimientos
de Palta, Cobre, Zinc,
Carbón, Argirodita, o en
forma de Dióxido de
Silicio.

21. ELEMENTOS SEMICONDUCTORES COMUNES
ÁTOMO DE SILICIO ÁTOMO DE GERMANIO

22. SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO
Un semiconductor se denomina Intrínseco si su forma cristalina es pura y de un mismo
elemento, es decir, que conserva su forma natural y no contiene impurezas.
Su red cristalina elemental es Cúbica, Centrada en las Caras, y ésta se replica por todo el
cristal.

23. SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
PROPIEDADES DE UN SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO
En su forma natural, y sin ser sometido a un voltaje o a cambios en la temperatura, un
semiconductor puro es un aislante.
Los enlaces covalentes entre los
átomos de Si son polares, con la
característica de que ninguno de
los átomos es más
electronegativo que otro. Por
tanto, el cristal es eléctricamente
neutro.
Si SiSi
Si SiSi
Si SiSi

24. PROPIEDADES DE UN SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO
Cuando existe un aumento de temperatura o
se inyecta un voltaje, los electrones en los
enlaces se separan y fluyen o ‘’flotan’’ por
todo el cristal.
Ese movimiento de electrones por el cristal
permite la conducción eléctrica.
Cuando la temperatura se normaliza, los
electrones regresan a su posición original.
Si SiSi
Si SiSi
Si SiSi
SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
°
C
ELECTRÓN LIBRE ( e- )
HUECO ( h+ )

25. PROPIEDADES DE UN SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO
Si SiSi
Si SiSi
Si SiSi
SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
BANDA
DE
VALENCIA
BANDA
PROHIBIDA
(BAND GAP)
BANDA
DE
CONDUCCIÓN
h+
e- h+
e- h+
e-
V
°C
SEMICONDUCTOR PURO

26. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO
Un semiconductor se denomina Extrínseco cuando en el cristal se adicionan impurezas de
forma artificial, es decir, se incrustan elementos químicos en las uniones para alterar las
propiedades eléctricas del cristal.
Al proceso de modificación o adición de impurezas se denomina Dopado.

27. PROPIEDADES DE UN SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO
SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
Dependiendo del tipo de Dopado, los semiconductores se dividen en dos tipos:
SC TIPO N SC TIPO P
En un SC tipo N, el material
contiene mayor suministro de
Electrones que de Huecos.
En un SC tipo P, el material
contiene mayor suministro de
Huecos que de Electrones

28. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
SC TIPO N SC TIPO P
Portador Mayoritario:
Electrones (e-)
Portador Minoritario:
Huecos (h+)
A las impurezas que se hayan en mayor número se le denominan Portadores Mayoritarios, y
las partículas que son minoría se les denominan Portadores Minoritarios.
Portador Mayoritario:
Huecos (h+)
Portador Minoritario:
Electrones (e-)

29. PROPIEDADES DE UN SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO
Las impurezas que se adicionan a los Semiconductores Tipo N son de tipo Pentavalente, es
decir, que contienen 5 electrones de valencia.
SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
ANTIMONIO ARSÉNICO FÓSFORO
A las impurezas pentavalentes se les llama Donadores

30. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
PROPIEDADES DE UN SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO
Las impurezas que se adicionan a los Semiconductores Tipo P son de tipo Trivalente, es decir,
que contienen 3 electrones de valencia.
ALUMINIO GALIO BORO
A las impurezas pentavalentes se les llama Aceptores

31. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
PROPIEDADES DE UN SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO
Si SiSi
As SiSi
Si SiSi
SEMICONDUCTOR TIPO N
BANDA
DE
VALENCIA
BANDA
PROHIBIDA
(BAND GAP)
BANDA
DE
CONDUCCIÓN
e- h+ h+ h+
V
°C
e- e- e-
Los portadores mayoritarios en un Material N son los electrones
libres.

32. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
PROPIEDADES DE UN SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO
SEMICONDUCTOR TIPO P
BANDA
DE
VALENCIA
BANDA
PROHIBIDA
(BAND GAP)
BANDA
DE
CONDUCCIÓN
V
°C
Si SiSi
Ga SiSi
Si SiSi
h+
e-
h+ h+ h+
e- e- e-
Los portadores mayoritarios en un Material P son los huecos.

33. COMPONENTES ELECTRÓNICOS ACTIVOS
Los materiales Semiconductores tipo N y P son la estructura básica de los Componentes
Electrónicos Activos y los Circuitos Integrados.
DIODOS
TRANSISTORES
BJT, FET Y MOSFET
AMPLIFICADORES
OPERACIONALES
CIRCUITOS INTEGRADOS MICROPROCESADORESTIRISTORES