Un semiconductor es un material cuyas propiedades eléctricas están entre las de un conductor y un aislante. La conductividad de los semiconductores puede aumentarse mediante la adición de pequeñas cantidades de impurezas, como el arsénico o el fósforo. Estas impurezas crean electrones o huecos adicionales que contribuyen a la corriente eléctrica. Los diodos están formados por la unión de un semiconductor dopado con impurezas donadoras (tipo N) y otro dopado con impurezas aceptoras (tipo P).

1. Elaborado por:
César Augusto Núñez Paredes.

2. Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de
corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida
al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen
corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las cargas positivas
(huecos). Los semiconductores son aquellos elementos perteneciente al grupo IV de la
Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc. Generalmente a estos se le introducen átomos
de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba
primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza
introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando
ésta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes.
Disposición esquemática de los átomos de un semiconductor de silicio puro, No existen
electrones ni huecos libres
La disposición esquemática de los átomos para un semiconductor de silicio podemos
observarla en la figura de arriba, Las regiones sombreadas representan la carga
positiva neta de los núcleos y los puntos negros son los electrones, menos unidos a los
mismos.
La fuerza que mantiene unidos a los átomos entre sí es el resultado del hecho de que los
electrones de conducción de cada uno de ellos, son compartidos por los cuatro átomos
vecinos.

3. A temperaturas bajas la estructura normal es la que se muestra en la figura de arriba
en la cual no se observa ningún electrón ni hueco libre y por tanto el semiconductor se
comporta como un aislante.
Estos cuatro electrones se encuentran formando uniones covalentes con otros átomos
vecinos para así formal un cristal, que es la forma que se los encuentra en la naturaleza.
Si esta estructura se encuentra a una temperatura muy baja o en el cero absoluto, el
cristal tendrá tan poca energía que no hará posible la conducción eléctrica. Al aumentar
la temperatura (a temperatura ambiente por ejemplo) ciertos electrones adquieren
suficiente energía para romper el enlace del que forman parte y "saltar" al siguiente
orbital. Esto provoca la formación de un espacio vacío, que por carencia de
electrones, posee carga positiva, a este espacio se lo denomina hueco.
El aumento de temperatura rompe algunas uniones entre átomos liberándose un cierto
número de electrones.
En cambio, a la temperatura ambiente (20-25 grados C.) algunas de las fuertes uniones
entre los átomos se rompen debido al calentamiento del semiconductor y como
consecuencia de ello algunos de los electrones pasan a ser libres. En la figura siguiente
se representa esta situación. La ausencia del electrón que pertenecía a la unión de dos
átomos de silicio se representa por un círculo,
La forma en que los huecos contribuyen a la corriente, se detalla seguidamente Cuando
un electrón puede vencer la fuerza que le mantiene ligado al núcleo y por tanto
abandona su posición, aparece un hueco, y le resulta relativamente fácil al electrón
del átomo vecino dejar su lugar para llenar este hueco.
Este electrón que deja su sitio para llenar un hueco, deja a su vez otro hueco en su
posición inicial, De esta manera el hueco contribuye a la corriente lo mismo que el
electrón, con una trayectoria de sentido opuesto a la de éste.

4. Un cristal está formado por un conjunto de átomos muy próximos entre sí dispuestos
espacialmente de forma ordenada de acuerdo con un determinado patrón geométrico. La
gran proximidad entre los átomos del cristal hace que los electrones de su última capa
sufran la interacción de los átomos vecinos.
El nivel energético de cada uno de estos electrones puede estar situado en la "banda de
valencia" o en la "banda de
conducción" del cristal. Un electrón que ocupe un nivel dentro de la banda de valencia
está ligado a un átomo del cristal y no puede moverse libremente por él mientras que si
el nivel ocupado pertenece a la banda de conducción, el electrón puede moverse
libremente por todo el cristal, pudiendo
Formar parte de una corriente eléctrica.
Entre la banda de valencia y la de conducción existe una "banda prohibida", cuyos niveles
no pueden ser ocupados por ningún electrón del cristal. Según la magnitud de esta
banda, los cristales pueden clasificarse en aislantes, conductores y semiconductores.
La magnitud de la banda prohibida es muy grande ( 6 eV ), de forma que todos los
electrones del cristal se encuentran en la banda de valencia incluso a altas temperaturas
por lo que, al no existir portadores de carga libres, la conductividad eléctrica del cristal
es nula.
Un ejemplo es el diamante.

5. No existe banda prohibida, estando solapadas las bandas de valencia y
conducción. Esto hace que siempre haya electrones en la banda de
conducción, por lo que su conductividad es muy elevada. Esta conductividad
disminuye lentamente al aumentar la temperatura, por efecto de las
vibraciones de los átomos de la red cristalina.
Un ejemplo son todos los metales
La magnitud de la banda prohibida es pequeña ( 1 eV ), de forma que a
bajas temperaturas son aislantes, pero conforme aumenta la temperatura
algunos electrones van alcanzando niveles de energía dentro de la banda de
conducción, aumentando la conductividad. Otra forma de aumentar la
conductividad es añadiendo impurezas que habiliten niveles de energía
dentro de la banda prohibida.
El germanio y el silicio son semiconductores.

6. Se denomina semiconductor puro aquél en que los átomos que lo constituyen son
todos del mismo tipo (por ejemplo de germanio), es decir no tiene
ninguna clase de impureza.
Si a un semiconductor puro como el silicio o el germanio, se le añade una pequeña
cantidad de átomos distintos (por ejemplo arsénico, fósforo, etc.). Se
transforma en un semiconductor impuro.
A las impurezas se las clasifica en donadoras y aceptadoras.
Si a la estructura del semiconductor de silicio se le añade alguna impureza, como
puede ser el arsénico (As), que tiene cinco electrones externos ligados al núcleo
con carga positiva +5, se obtiene la forma que se muestra en la figura.
Ahora, bien para aumentar la conducción de cualquier semiconductor se recurre
a un proceso denominado "dopado" o "envenenamiento". El objeto del mencionado
proceso es el del aumentar la cantidad de portadores libres en el cristal
provocando un aumento en la conductividad del mismo (recordar que la corriente
es el flujo de portadores)
.

7. El dopado del cristal es realizado con átomos trivalentes (con tres electrones en
su última órbita) o pentavalentes (con cinco). Esta elección no es resultado de un
proceso azaroso sino que uno u otro tipo de átomo aumentará a su vez la
presencia de uno u otro tipo de portador. ¿Cómo es esto?: el silicio, como ya se
ha dicho, tiene cuatro electrones en su última órbita que se combinan a su vez
con otros átomos para formar un cristal. Al introducir un átomo penta o
trivalente en dicho cristal, se provocará un aumento o un defecto de electrones
que hará aumentar la cantidad portadores.
Si se introduce un átomo pentavalente (P, Sb, As) en un cristal puro, cuatro de
sus electrones se unirán a cuatro electrones de los átomos de silicio
vecinos, pero el quinto queda libre, sin formar parte de ninguna unión, por lo que
está débilmente ligado al átomo: Este electrón libre, requerirá muy poca
energía para "saltar" a la banda de conducción. La energía térmica del ambiente
basta para provocar este salto. De esta forma al agregar átomos pentavalentes
agregamos electrones en la banda de conducción, es decir, agregamos
portadores.
Cabe mencionar que los mencionados átomos pentavalentes se ubican en un nivel
de energía mucho más cercano a la banda de conducción que la banda de
valencia, denominado "nivel donador" este nivel se ubica a una
distancia, energéticamente hablando, de 0,05 electrón-volt, mientras que la
distancia entre las bandas de un semiconductor es de 0,7 eV

9. Cuatro de los cinco electrones del átomo de arsénico se unirán a los
correspondientes electrones de los cuatro átomos de silicio vecinos, y el quinto
quedará inicialmente libre, sin una posible unión, y por tanto se convertirá en un
portador de corriente. A este tipo de impurezas que entregan electrones portadores
(negativos) se los denomina donadores o del tipo «n».
En un semiconductor con impurezas del tipo n, no sólo aumenta el número de
electrones sino que también la cantidad de huecos disminuye por debajo del que
tenía el semiconductor puro.
La causa de esta disminución se debe a que una parte de los electrones libres llena
algunos de los huecos existentes.
Si al semiconductor puro de silicio se le añade algún tipo de impureza que tenga tres
electrones externos, solo podrá formar tres uniones completas con los átomos de
silicio, y la unión incompleta dará lugar a un hueco.
Este tipo de impurezas proporcionan entonces portadores positivos, ya que crean
huecos que pueden aceptar electrones; por consiguiente son conocidos con el nombre
de aceptores, o impurezas del tipo «p». Al contrario de lo que sucedía antes en el
tipo n en un semiconductor con impurezas de tipo p los portadores que disminuyen
son los electrones en comparación, con los que tenía el semiconductor puro.

11. El diodo de unión P-N es el dispositivo semiconductor más elemental. Consiste en
el dopado de una barra de cristal semiconductor en una parte con impurezas
donadoras (tipo N) y en la otra con impurezas aceptadoras (tipo P)De esta
forma, en la parte P existe mucha mayor concentración de huecos que de
electrones libres y en la parte N ocurre lo contrario.
La conductividad del diodo es diferente según sea el sentido en que se aplique un
campo eléctrico externo. Existen dos posibilidades de aplicación de este campo:
polarización inversa y polarización directa.
Polarización inversa. Consiste en aplicar a la parte N del diodo una tensión más
positiva que a la parte P. De esta forma, el campo eléctrico estará dirigido de la
parte N a la parte P y los huecos tenderán a circular en ese sentido.

12. Mientras que los electrones tenderán a circular en sentido contrario. Esto
significa que circularían huecos de la parte N (donde son muy minoritarios) a la
parte P (donde son mayoritarios), por lo que esta corriente se ve contrarrestada
por una corriente de difusión que tiende a llevar a los huecos de donde son
mayoritarios (parte P) hacia donde son minoritarios (Parte N). Por
consiguiente, la corriente global de huecos es prácticamente nula. Algo
totalmente análogo ocurre con la corriente de electrones, la corriente de
arrastre va en sentido contrario a la de difusión, contrarrestándose ambas y
produciendo una corriente total Prácticamente nula.
La corriente total es la suma de la de huecos más la de electrones y se
denominan Corriente inversa de saturación ( Is ). En la práctica, el valor de esta
corriente es muy pequeño (del orden de nA en el Silicio) y depende de la
temperatura de forma que aumenta al aumentar Ésta.

13. Consiste en aplicar a la parte P del diodo una tensión más positiva que a la parte
N. De esta forma, el campo eléctrico estará dirigido de la parte P a la parte N.
Esto significa que circularían huecos de la parte P (donde son mayoritarios) a la
parte N (donde son minoritarios) por lo que esta corriente tiene el mismo
sentido que la corriente de difusión. De esta forma, la corriente total de
huecos es muy alta. Un proceso análogo ocurre para la corriente de electrones.
La corriente total es la suma de la de huecos y la de electrones y toma un valor
elevado a partir de un determinado valor de tensión (tensión umbral, V) que
depende del tipo de semiconductor (en el Silicio es aproximadamente de 0,7 V y
en el Germanio de 0,2 V).
Puede considerarse que el diodo es el dispositivo binario más elemental, ya que
permite el paso de corriente en un sentido y lo rechaza en sentido contrario.

14. *
muestra

16. La figura anexa muestra parte un cristal de silicio entre dos placas metálicas
cargadas. Supóngase que la energía térmica ha producido un electrón libre y un
hueco. El electrón libre se halla en una órbita grande en el extremo derecho del
cristal. Debido a la placa cargada negativamente, el electrón libre es repelido
hacia la izquierda. Este electrón puede pasar de una órbita grande a la siguiente
hasta alcanzar la placa positiva.
Obsérvese el hueco a la izquierda de la figura anterior. Este hueco atrae el
electrón de valencia del punto A, lo que provoca que el electrón de valencia se
mueva hacia el hueco. Esta acción no es la misma que la recombinación, en la cual
un electrón libre cae en un hueco. En vez de un electrón libre, se tiene un
electrón de valencia moviéndose hacia un hueco.
Cuando el electrón de valencia en el punto A se mueve hacia la izquierda, crea un
nuevo hueco en el punto A. El efecto es el mismo que si el hueco original se
desplazara hacia la derecha. El nuevo hueco en el punto A puede atraer y capturar
otro electrón de valencia. De esta forma, los electrones de valencia pueden
desplazarse a lo largo de la trayectoria indicada por las flechas. Esto quiere decir
que el hueco se puede mover en el sentido opuesto a lo largo de la trayectoria A-
B-C-D-E-F.

17. 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.

18. Semiconductores de Grupo IV
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.
Tipos de Materiales Dopantes:
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

19. El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje N). En el
caso del Fósforo, se dona un electrón.

22. El dopaje fue desarrollado originalmente por John Robert Woodyard mientras
trabajaba para la Sperry Gyroscope Company durante la Segunda Guerra
Mundial. 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.