SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Y DOPADOS

1. SEMICONDUCTORES

2. SEMICONDUCTORES DOPADOS

3. 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. Es un cristal de silicio o germanio que
forma una estructura tetraédrica
similar a la del carbono mediante
enlaces covalentes entre sus átomos,
en la figura representados en el plano
por simplicidad. Cuando el cristal se
encuentra a temperatura ambiente
algunos electrones pueden absorber
la energía necesaria para saltar a la
banda de conducción dejando el
correspondiente hueco en la banda
de valencia (1). Las energías
requeridas, a temperatura ambiente,
son de 1,12 eV y 0,67 eV para el
silicio y el germanio respectivamente.

7. Obviamente el proceso inverso
también se produce, de modo que los
electrones pueden caer, desde el
estado energético correspondiente a
la banda de conducción, a un hueco
en la banda de valencia liberando
energía. A este fenómeno se le
denomina recombinación. Sucede
que, a una determinada temperatura,
las velocidades de creación de pares
e-h, y de recombinación se igualan, de
modo que la concentración global de
electrones y huecos permanece
constante. Siendo "n" la concentración
de electrones (cargas negativas) y "p"
la concentración de huecos (cargas
positivas), se cumple que:
ni = n = p

8. siendo ni la concentración intrínseca del
semiconductor, función exclusiva de la
temperatura y del tipo de elemento.
Ejemplos de valores de ni a temperatura
ambiente (27 ºC):
ni(Si) = 1.5 1010cm-3
ni(Ge) = 1.73 1013cm-3
Los electrones y los huecos reciben el
nombre de portadores. En los
semiconductores, ambos tipos de
portadores contribuyen al paso de la
corriente eléctrica. Si se somete el cristal
a una diferencia de potencial se
producen dos corrientes eléctricas. Por
un lado la debida al movimiento de los
electrones libres de la banda de
conducción, y por otro, la debida al
desplazamiento de los electrones en la
banda de valencia, que tenderán a saltar
a los huecos próximos (2), originando
una corriente de huecos con 4 capas
ideales y en la dirección contraria al
campo eléctrico cuya velocidad y
magnitud es muy inferior a la de la
banda de conducción.

9. 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.

10. 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. 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.

11. 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.

12. Dopaje en conductores orgánicos
Los polímeros conductores pueden ser dopados al agregar
reactivos químicos que oxiden (o algunas veces reduzcan)
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 electrodo de trabajo,
revestido con un polímero, es suspendido en una solución
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 (y su correspondiente ion del
electrolito) entren 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, volviendo a su estado natural.

13. Historia
El dopaje fue desarrollado originalmente
por John Robert Woodland 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.2

14. El Dopado de Semiconductores
La adición de un pequeño porcentaje de
átomos extraños en la red cristalina regular
de silicio o germanio, produce unos cambios
espectaculares en sus propiedades
eléctricas, dando lugar a los
semiconductores de tipo n y tipo p.
Impurezas pentavalentes
Los átomos de impurezas con 5 electrones
de valencia, producen semiconductores de
tipo n, por la contribución de electrones
extras.
Impurezas trivalentes
Los átomos de impurezas con 3 electrones
de valencia, producen semiconductores de
tipo p, por la producción de un "hueco" o
deficiencia de electrón.

15. Bandas en Semiconductores
Dopados
La aplicación de la teoría de bandas a los
semiconductores de tipo n y tipo p
muestra que los niveles adicionales se
han añadido por las impurezas. En el
material de tipo n hay electrones con
niveles de energía cerca de la parte
superior de la banda prohibida, de modo
que pueden ser fácilmente excitados
hacia la banda de conducción. En el
material de tipo p, los huecos adicionales
en la banda prohibida, permiten la
excitación de los electrones de la banda
de valencia, dejando huecos móviles en
la banda de valencia.

16. Bibliografía:
Wikipedia
google
http://hyperphysics.phy-
astr.gsu.edu/hbasees/solids/dope.html
http://www.monografias.com/trabajos11/moti/moti.shtml
http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_se
miconductor_4.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_(semiconductores)
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