SEMICONDUCTORES

SEMICONDUCTORES
SEMICONDUCTORES INTRINSECOS
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
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.

SEMICONDUCTOR INTRINSECOS
DEFINICION:
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.
Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le
añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir,
elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor
se denomina extrínseco, y se dice que está dopado.
Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la
estructura cristalina sustituyendo al correspondiente
átomo de silicio. Hoy en día se han logrado añadir
impurezas de una parte por cada 10 millones, logrando
con ello una modificación del material.

Los elementos semiconductores por excelencia son el silicio y el germanio, aunque existen otros elementos como el
estaño, y compuestos como el arseniuro de galio que se comportan como tales.
Tomemos como ejemplo el silicio en su modelo bidimensional:
Vemos como cada átomo de silicio se rodea de sus 4 vecinos próximos con lo
que comparte sus electrones de valencia.
A 0ºK todos los electrones hacen su papel de enlace y tienen energías
correspondientes a la banda de valencia. Esta banda estará completa,
mientras que la de conducción permanecerá vacía. Es cuando hablamos de
que el conductor es un aislante perfecto.
Ahora bien, si aumentamos la temperatura, aumentará por consiguiente la
energía cinética de vibración de los átomos de la red, y algunos electrones
de valencia pueden absorber de los átomos vecinos la energía suficiente
para liberarse del enlace y moverse a través del cristal como electrones
libres. Su energía pertenecerá a la banda de conducción, y cuanto más
elevada sea la temperatura más electrones de conducción habrá, aunque ya
a temperatura ambiente podemos decir que el semiconductor actúa como
conductor.
Si un electrón de valencia se convierte en electrón de conducción deja una posición vacante, y si aplicamos un
campo eléctrico al semiconductor, este “hueco” puede ser ocupado por otro electrón de valencia, que deja a su vez
otro hueco. Este efecto es el de una carga +e moviéndose en dirección del campo eléctrico. A este proceso le
llamamos ‘generación térmica de pares electrón-hueco.

Paralelamente a este proceso se da el de recombinación.
Algunos electrones de la banda de conducción pueden perder
energía(emitiéndola en forma de fotones, por ejemplo), y pasar
a la de valencia ocupando un nivel energético que estaba libre,
o sea, “ recombinándose” con un hueco. A temperatura
constante, se tendrá un equilibrio entre estos dos procesos, con
el mismo número de electrones en la banda de conducción que
el de huecos en la de valencia.
Este fenómeno de la conducción asociada a la formación de
pares en el semiconductor se denomina conducción intrínseca.
Se cumple que
p = n = ni --> Donde p y n son las concentraciones de huecos y
electrones respectivamente, y ni es la concentración de
portadores intrínsecos.

Conducción:
Vamos a explicar el comportamiento de los semiconductores denominados intrínsecos
(germanio y silicio puros) a partir de un modelo cualitativo: el modelo de enlace covalente.
Cada átomo está rodeado de cuatro átomos vecinos, y con cada uno de ellos comparte dos
electrones, uno del propio átomo y otro del átomo vecino, dando lugar a una distribución
espacial como la que se muestra en la Figura 10-11. Cada átomo de silicio sería el centro de un
tetraedro en cuyos vértices están los cuatro átomos de silicio con los que forma enlaces
covalentes.
Esta distribución espacial puede simplificarse mediante la representación en dos
dimensiones mostrada en la Figura 10-12, donde las esferas grandes representan los núcleos
junto con las capas completas de electrones, y las esferas pequeñas representan los
electrones compartidos.
Por otro lado, cuando un electrón abandona un enlace se produce en él una
vacante denominada hueco. Dicho hueco se comporta, a todos los efectos,
como si de una partícula con carga positiva se tratase, ya que si aplicamos un
campo eléctrico, los electrones tienden a moverse en sentido contrario al
campo, y aunque no sean electrones libres sí pueden saltar de un enlace a otro
próximo, necesitando para ello una cantidad de energía mucho menor que la
necesaria para romper el enlace y crear el par electrón–hueco.

Semiconductores extrínsecos tipo n:
Son los que están dopados, con elementos pentavalentes, como
por ejemplo (As, P, Sb). Que sean elementos pentavalentes,
quiere decir que tienen cinco electrones en la última capa, lo
que hace que al formarse la estructura cristalina, un electrón
quede fuera de ningún enlace covalente, quedándose en un
nivel superior al de los otros cuatro. Como consecuencia de la
temperatura, además de la formación de los pares e-h, se
liberan los electrones que no se han unido.
Como ahora en el semiconductor existe un mayor número de
electrones que de huecos, se dice que los electrones son los
portadores mayoritarios, y a las impurezas se las llama
donadoras.
En cuanto a la conductividad del material, esta aumenta de una
forma muy elevada, por ejemplo; introduciendo sólo un átomo
donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es
24100 veces mayor que la del silicio puro.

Semiconductores extrínsecos de tipo p:
En este caso son los que están dopados con elementos
trivalentes, (Al, B, Ga, In). El hecho de ser trivalentes, hace
que a la hora de formar la estructura cristalina, dejen una
vacante con un nivel energético ligeramente superior al de
la banda de valencia, pues no existe el cuarto electrón que
lo rellenaría.
Esto hace que los electrones salten a las vacantes con
facilidad, dejando huecos en la banda de valencia, y
siendo los huecos portadores mayoritarios.

SEMICONDUCTOR ES DOPADOS
DEFINICION:
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.

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.

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

Tipo N

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 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.

Tipo P

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.

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