SEMICONDUCTORES

2. 


Es un semiconductor puro. A temperatura ambiente
se comporta como un aislante porque solo tiene
unos pocos electrones libres y huecos debidos a la
energía térmica.
En un semiconductor intrínseco también hay flujos de
electrones y huecos, aunque la corriente total
resultante sea cero. Esto se debe a que por acción
de la energía térmica se producen los electrones
libres y los huecos por pares, por lo tanto hay tantos
electrones libres como huecos con lo que la
corriente total es cero.
La tensión aplicada en la figura forzará a los
electrones libres a circular hacia la derecha (del
terminal negativo de la pila al positivo) y a los huecos
hacia la izquierda.

3. En este applet podemos ver mediante una animación en que dirección
se mueven los electrones y los huecos en un semiconductor intrínseco.
Cuando los electrones libres llegan la
extremo derecho del cristal, entran al
conductor externo (normalmente un hilo de
cobre) y circulan hacia el terminal positivo
de la batería. Por otro lado, los electrones
libres en el terminal negativo de la batería
fluirían hacia el extremos izquierdo del cristal.
Así entran en el cristal y se recombinan con
los huecos que llegan al extremo izquierdo
del cristal. Se produce un flujo estable de
electrones libres y huecos dentro del
semiconductor.

4. 
Cuando el silicio se encuentra formado por átomos del tipo
explicado en el apartado anterior, se dice que se encuentra en
estado puro o más usualmente que es un semiconductor intrínseco

Una barra de silicio puro está formada por un conjunto de átomos
en lazados unos con otros según una determinada estructura
geométrica que se conoce como red cristalina

Si en estas condiciones inyectamos energía desde el
exterior, algunos de esos electrones de los órbitas externas dejarán
de estar enlazados y podrán moverse. Lógicamente si un electrón
se desprende del átomo, este ya no está completo, decimos que
está cargado positivamente, pues tiene una carga negativa
menos, o que ha aparecido un hueco. Asociamos entonces el
hueco a una carga positiva o al sitio que ocupaba el electrón.

El átomo siempre tendrá la tendencia a estar en su estado
normal, con todas sus cargas, por lo tanto en nuestro
caso, intentará atraer un electrón de otro átomo para rellenar el
hueco que tiene.

5. Toda inyección de energía exterior produce pues un proceso continuo
que podemos concretar en dos puntos:
Electrones que se quedan libres y se desplazan de un átomo a otro a lo
largo de la barra del material semiconductor de silicio.
Aparición y desaparición de huecos en los diversos átomos del
semiconductor.
Queda así claro que el único movimiento real existente dentro de un
semiconductores el de electrones. Lo que sucede es que al aparecer y
desaparecer huecos, "cargas positivas", en puntos diferentes del
semiconductor, parece que estos se mueven dando lugar a una
corriente de cargas positivas. Este hecho, movimiento de huecos, es
absolutamente falso,. Los huecos no se mueven, sólo parece que lo
hacen.
Ahora bien, para facilitar el estudio de los semiconductores
hablaremos de corriente de huecos (cargas positivas), pues nos resulta
más cómodo y los resultados obtenidos son los mismos que los reales.

6. 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.

7. 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.
El siguiente es un ejemplo de
dopaje de Silicio por el Fósforo
(dopaje N). En el caso del
Fósforo, se dona un electrón

8. Si en una red cristalina de silicio
(átomos de silicio enlazados entre
sí) ....
Enlace
covalente
de
átomos
de
germanio, obsérvese que cada átomo
comparte cada uno de sus electrones con otros
cuatro átomos
.... sustituimos uno de sus átomos (que como
sabemos tiene 4 electrones en su capa exterior) por
un átomo de otro elemento que contenga cinco
electrones en su capa exterior, resulta que cuatro
de esos electrones sirven para enlazarse con el
resto de los átomos de la red y el quinto queda
libre.
A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le
denomina "Silicio tipo N"
En esta situación hay mayor número de electrones que de huecos.
Por ello a estos últimos se les denomina "portadores minoritarios" y
"portadores mayoritarios" a los electrones
Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso de dopado son el
arsénico, el antimonio y el fósforo
Está claro que si a un semiconductor dopado se le aplica tensión en
sus bornas, las posibilidades de que aparezca una corriente en el
circuito son mayores a las del caso de la aplicación de la misma
tensión sobre un semiconductor intrínseco o puro.

9. 
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

10. 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.

11. 
El dopaje fue desarrollado originalmente
por John Robert Woodyard 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 companía Sperry Rand, al
conocerse su importante aplicación en la
fabricación de transistores.

12. 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
Sentido del movimiento de un electrón y un hueco
en el silicio
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 posiblidades:
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

13. Si en una red cristalina de silicio
(átomos de silicio enlazados entre sí)
....
Enlace covalente de átomos de
germanio, obsérvese que cada
átomo comparte
cada uno de sus electrones con otros
cuatro átomos
átomo de otro elemento que contenga tres
electrones en su capa exterior, resulta que
estos tres electrones llenarán los huecos que
dejaron los electrones del átomo de
silicio, pero como son cuatro, quedará un
hueco por ocupar. Ósea que ahora la
sustitución de un átomo por otros provoca la
aparición de huecos en el cristal de silicio. Por
tanto ahora los "portadores mayoritarios" serán
los huecos y los electrones los portadores
minoritarios.
A esta red de silicio dopada con esta clase de
impurezas se le denomina "silicio tipo P"

14. CASO 1
Impurezas de valencia 5
(Arsénico, Antimonio, Fósforo).
Tenemos un cristal de Silicio dopado
con átomos de valencia 5.
Los átomo de valencia 5 tienen un electrón de
más, así con una temperatura no muy elevada
(a temperatura ambiente por ejemplo), el 5º
electrón se hace electrón libre. Esto es, como
solo se pueden tener 8 electrones en la órbita de
valencia, el átomo pentavalente suelta un
electrón que será libre.
Siguen dándose las reacciones anteriores. Si
metemos 1000 átomos de impurezas tendremos
1000 electrones más los que se hagan libres por
generación térmica (muy pocos).
A estas impurezas se les llama "Impurezas
Donadoras". El número de electrones libres se
llama n (electrones libres/m3).

15. CASO 2
Impurezas
de
valencia
3
(Aluminio, Boro, Galio). Tenemos un
cristal de Silicio dopado con átomos
de valencia 3.
Los átomo de valencia 3 tienen un
electrón de menos, entonces como
nos falta un electrón tenemos un
hueco. Esto es, ese átomo trivalente
tiene 7 electrones en la orbita de
valencia. Al átomo de valencia 3 se
le llama "átomo trivalente" o
"Aceptor".
A estas impurezas se les llama
"Impurezas Aceptoras". Hay tantos
huecos como impurezas de valencia
3 y sigue habiendo huecos de
generación térmica (muy pocos). El
número de huecos se llama p
(huecos/m3).

16. 





http://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_(semiconductores)
http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagi
na5.htm
http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/tipo-P.asp
http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/tipo-N.asp
http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/dopado.asp
http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagi
na5.htm