El documento explica los semiconductores intrínsecos y dopados. Los semiconductores intrínsecos son cristales de silicio o germanio que contienen pequeñas cantidades de electrones y huecos a temperatura ambiente. Los semiconductores dopados se crean agregando impurezas tipo N o P para aumentar la concentración de electrones o huecos, respectivamente. Esto permite el desarrollo de dispositivos electrónicos como rectificadores, transistores y sensores.

1. Elaborado por Fernando Romero Corrales - Universidad privada Telesup - 2013

2. Semiconductores Intrínsecos
Expliquemos primero que es un Semiconductor es un elemento estequiométrico de inconvergencia
estática que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores,
como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la
temperatura del ambiente en el que se encuentre. Conociendo lo que es ya un semiconductor
profundicemos en el semiconductor intrínsecos.
Es un cristal de Silicio o Germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante
enlaces covalentes entre sus átomos. 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. Las energías requeridas,
a temperatura ambiente, son de 1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y el germanio
respectivamente.
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 de singadera extrema 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

3. 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 (27ºc):
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, 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.

4. Con temperaturas de cero absoluto, los electrones están en los menores estados de energía
disponibles. Así, todos los electrones de valencia forman parte de enlaces covalentes,
y no son libres de moverse por el cristal. En estas condiciones, el silicio
es un aislante eléctrico. Sin embargo, a «temperatura ambiente» (aproximadamente
300 °K o 25° C), algunos electrones alcanzan la suficiente energía térmica como para liberarse
de sus enlaces. Estos electrones libres pueden moverse con facilidad por el cristal.

5. En esta situación, si aplicamos tensión al silicio intrínseco, fluirá una corriente. Sin embargo, el
número de electrones libres es relativamente pequeño comparado con el que encontramos
en un buen conductor. Por ello, se clasifica el silicio intrínseco como semiconductor.
Aunque son los electrones del enlace los que realmente se mueven, es mejor centrarnos en el vacío
que dejan en los huecos. Podemos imaginar un hueco
como un portador de carga positiva que se mueve libremente por el cristal, mientras
que los electrones de enlace sólo pueden moverse si hay algún hueco cercano.
En un semiconductor intrínseco, existe un número igual de huecos y electrones
libres que pueden moverse con facilidad por el cristal.
Cuando se aplica un campo eléctrico al cristal, ambos tipos de portadores contribuirán al flujo de
corriente.

6. Semiconductores Dopados
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. Tipos de materiales dopantes
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. La adición de impurezas
pentavalentes como el antimonio,
arsénico, o fósforo, aportan
electrones libres, aumentando
considerablemente la conductividad
del semiconductor intrínseco. El
fósforo se puede añadir por difusión
del gas fosfina (PH3).

9. 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.
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. La adición de impurezas trivalentes tales
como boro, aluminio, o galio a un
semiconductor intrínseco, crean unas
deficiencias de electrones de valencia,
llamadas "huecos". Lo normal es usar el
gas diborano B2H6, para difundir el boro
en el material de silicio.

11. 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.

12. SE HAN DESARROLLADO MUCHOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS UTILIZANDO
LAS PROPIEDADES DE TRANSPORTE DE LOS SEMICONDUCTORES; EL USO DE
SEMICONDUCTORES EN LA INDUSTRIA ELECTRÓNICA HA AUMENTADO DE
FORMA IMPORTANTE. ASÍ, VEREMOS ALGUNAS DE LAS MÁS IMPORTANTES:
• TERMISTORES: SE BASAN EN LA PROPIEDAD DE QUE LA CONDUCTIVIDAD
DEPENDE DE LA TEMPERATURA PARA MEDIR DICHA TEMPERATURA. TAMBIÉN SE
USAN EN OTROS DISPOSITIVOS, COMO EN ALARMAS CONTRA INCENDIO.
• TRANSDUCTORES DE PRESIÓN: AL APLICAR PRESIÓN A UN SEMICONDUCTOR,
LOS ÁTOMOS SON FORZADOS A ACERCARSE, EL GAP DE ENERGÍA SE ESTRECHA
Y LA CONDUCTIVIDAD AUMENTA. MIDIENDO LA CONDUCTIVIDAD, SE PUEDE
CONOCER LA PRESIÓN QUE ACTÚA SOBRE ESE MATERIAL.
• RECTIFICADORES (DISPOSITIVOS DE UNIÓN TIPO P-N): SE PRODUCEN UNIENDO
UN SEMICONDUCTOR TIPO N CON OTRO TIPO P, FORMANDO UNA UNIÓN TIPO
P-N. LOS ELECTRONES SE CONCENTRAN EN LA UNIÓN TIPO N Y LOS HUECOS EN
LA UNIÓN P. EL DESEQUILIBRIO ELECTRÓNICO RESULTANTE CREA UN VOLTAJE A
TRAVÉS DE LA UNIÓN.
• TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLAR: UN TRANSISTOR SE PUEDE USAR COMO
INTERRUPTOR O COMO AMPLIFICADOR. EL TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR
(BJT), SE SUELE UTILIZAR EN UNIDADES DE PROCESAMIENTO CENTRAL DE
COMPUTADORAS POR SU RÁPIDA RESPUESTA A LA CONMUTACIÓN.
• TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO: UTILIZADO FRECUENTEMENTE PARA
ALMACENAR INFORMACIÓN EN LA MEMORIA DE LOS ORDENADORES. EL
TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO (FET), SE COMPORTA DE FORMA ALGO
DISTINTA A LOS DE UNIÓN BIPOLAR.