El documento describe los diferentes tipos de materiales desde el punto de vista eléctrico, incluyendo conductores, aislantes y semiconductores. Explica que los semiconductores como el silicio, el germanio y el selenio tienen características intermedias entre conductores y aislantes, y pueden conducir electricidad bajo ciertas condiciones. Los semiconductores se utilizan comúnmente en dispositivos electrónicos como diodos, transistores y circuitos integrados.

1. SEMICONDUCTORES
Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza
poseen características diferentes, agrupadas todas en la denominada
“Tabla de Elementos Químicos”. Desde el punto de vista eléctrico, todos los
cuerpos simples o compuestos formados por estos elementos se pueden
dividir en tres amplias categorías:
 Conductores
 Aislantes
 Semiconductores
ALUMNO: CARLOS E. ZAPATA EUSCATE
CURSO: FISICA ELECTRONCA
ING. DE SISTEMAS

2. MATERIALES AISLANTES O DIELÉCTRICOS
A diferencia de los cuerpos metálicos buenos conductores de la corriente eléctrica, existen otros
como el aire, la porcelana, el cristal, la mica, la ebonita, las resinas sintéticas, los plásticos, etc.,
que ofrecen una alta resistencia a su paso. Esos materiales se conocen como aislantes o
dieléctricos.
Los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. En la foto
izquierda. se pueden observar diferentes materiales aislantes de plástico utilizados comúnmente en
las cajas de. conexión y en otros elementos propios de las instalaciones eléctricas domésticas de
baja tensión, así. como el PVC (PolyVinyl Chloride – Policloruro de Vinilo) empleado como
revestimiento en los cables. conductores. En la foto de la derecha aparece, señalado con una flecha
roja, un aislante de vidrio. utilizado en las torres externas de distribución eléctrica de alta tensión.

3. Al contrario de lo que ocurre con los átomos de los metales, que ceden sus electrones con facilidad y
conducen bien la corriente eléctrica, los de los elementos aislantes poseen entre cinco y siete
electrones fuertemente ligados a su última órbita, lo que les impide cederlos. Esa característica los
convierte en malos conductores de la electricidad, o no la conducen en absoluto.
En los materiales aislantes, la banda de conducción
se encuentra prácticamente vacía de portadores de
cargas eléctricas o electrones, mientras que la banda
de valencia está completamente llena de estos.
Como ya conocemos, en medio de esas dos bandas
se encuentra la “banda prohibida”, cuya misión es
impedir que los electrones de valencia, situados en la
última órbita del átomo, se exciten y salten a la
banda de conducción.
La energía propia de los electrones de valencia equivale a unos 0,03 eV (electronvolt)
aproximadamente, cifra muy por debajo de los 6 a 10 eV de energía de salto de banda (Eg) que
requerirían poseer los electrones para atravesar el ancho de la banda prohibida en los materiales
aislantes.

4. MATERIALES SEMICONDUCTORES
Los primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron pequeños detectores diodos
empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocían como
“de galena”. Ese nombre lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra de galena o sulfuro de
plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado para sintonizar las emisoras
de radio. La sintonización se obtenía moviendo una aguja que tenía dispuesta sobre la
superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de
radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conocía que misterio encerraba esa piedra
para que pudiera captarlas.
En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos cristales
se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el
material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas
fotoeléctricas o solares. Posteriormente, en 1947 William Shockley, investigador también de los
Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer dispositivo
semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la
base del desarrollo de la electrónica moderna.
Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo,
constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y
los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo
determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente
eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar
corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar
como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc.

5. 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”.
Esos elementos semiconductores que aparecen dispuestos en la Tabla Periódica
constituyen la materia prima principal, en especial el silicio (Si), para fabricar diodos
detectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados y
microprocesadores.
Los átomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco
electrones en su última órbita, de acuerdo con el elemento específico al que pertenecen.
No obstante, los elementos más utilizados por la industria electrónica, como el silicio (Si) y
el germanio (Ge), poseen solamente cuatro electrones en su última órbita. En este caso,
el equilibrio eléctrico que proporciona la estructura molecular cristalina característica de
esos átomos en estado puro no les permite ceder, ni captar electrones. Normalmente los
átomos de los elementos semiconductores se unen formando enlaces covalentes y no
permiten que la corriente eléctrica fluya a través de sus cuerpos cuando se les aplica una
diferencia de potencial o corriente eléctrica. En esas condiciones, al no presentar

6. TABLA DE ELEMENTOS SEMICONDUCTORES
Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor
La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales semiconductores
depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la
temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente también aumenta, disminuyendo la
conductividad. Todo lo contrario ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras su
temperatura aumenta, la conductividad también aumenta.
En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los
siguientes métodos:
- Elevación de su temperatura
- Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina
- Incrementando la iluminación.

7. SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS"
Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente forma:
 Intrínsecos
 Extrínsecos
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.
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.

8. 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.
 Cristales sin impurezas ni defectos en la red (idealmente, claro)
 Conforme la temperatura aumenta, hay generación de pares electrón-hueco
 Obviamente, n = p = ni
 ni varía exponencialmente con la temperatura

10. 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.
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.

12. 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.
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.

13. 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.
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.
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.

14. 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
Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos los electrones que
podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar el valor de dicha corriente
tenemos dos posibilidades:
 Aplicar una tensión de valor superior
 Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exterior
La primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el valor de la tensión aplicada, la
corriente que aparece no es de suficiente valor. La solución elegida es la segunda.
En este segundo caso se dice que el semiconductor está "dopado".
El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos
últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se
dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores.
- Semiconductor tipo P
- Semiconductor tipo N
Sentido del movimiento de un electrón y un hueco
en el silicio

15. Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto
tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en
este caso positivos o huecos).
Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los
átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los
átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.
El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo
tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones
de valencia, tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la
red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes
y un hueco producido que se encontrará en condición de aceptar un electrón libre.
Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red,
un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado
como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los
huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los
portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los
materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un
ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.

16. Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de
átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso
negativos o electrones).
Cuando se añade el material dopante aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del
semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da
algunos de sus electrones.
El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para
ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del
silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de
los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo
15 de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina
en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón
no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número de
electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los
portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con
cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese
que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el
material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.
http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor
http://equipo1mona.blogspot.com/2012/02/materiales-aislantes-conductores-y.html
http://www.uv.es/candid/docencia/ed_tema-02.pdf
http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina5.htm
http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_1.htm