2. Definición
Los semiconductores son elementos que tienen
una conductividad eléctrica inferior a la de un
conductor metálico pero superior a la de un buen
aislante. El semiconductor más utilizado es el
silicio, que es el elemento más abundante en la
naturaleza, después del oxígeno. Otros
semiconductores son el germanio y el selenio.
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.
3. Semiconductor intrínseco
Es un cristal de Silicio o Germanio que forma una estructura Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo
tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces que los electrones pueden caer, desde el estado energético
covalentes entre sus átomos, en la figura representados en correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la
el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se le
temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber denomina recombinación. Sucede que, a una determinada
la energía necesaria para saltar a la banda de conducción temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de
dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia. recombinación se igualan, de modo que la concentración global
Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 0,7 de electrones y huecos permanece invariable. Siendo "n" la
eV y 0,3 eV para el silicio y el germanio respectivamente. concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la
concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:
siendo ni la concentración intrínseca del
semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del tipo
de elemento.
4. 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.
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.
5. Semiconductores dopados
Los semiconductores dopados se forman
añadiendo pequeñas cantidades de
impurezas a los semiconductores puros.
El objetivo es modificar su
comportamiento eléctrico al alterar la
densidad de portadores de carga libres.
Estas impurezas se llaman dopantes.
Así, podemos hablar de semiconductores
dopados. En función del tipo de
dopante, obtendremos semiconductores
dopados tipo p o tipo n. Para el
silicio, son dopantes de tipo n los
elementos de la columna V, y tipo p los
de la III
6. 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.
7. 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 des balanceado 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.
El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje N). En el caso del Fósforo, se dona un electrón.
8. 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.
El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Boro (P
dopaje). En el caso del boro le falta un electrón y, por tanto, es
donado un hueco de electrón.
