El documento describe los semiconductores, incluyendo que son materiales cuya conductividad puede variar entre conductores e aislantes dependiendo de factores como la temperatura o impurezas introducidas. Explica que el silicio y el germanio son los semiconductores más usados y cómo el dopado con impurezas trivalentes o pentavalentes crea los tipos P y N respectivamente, permitiendo un control eléctrico de la conductividad.

1. SEMICONDUCTORES
Universidad Privada Telesup
Luis Romani Paredes

2. Los semiconductores son materiales cuya
conductividad varía con la temperatura, pudiendo
comportarse como conductores o como aislantes.
Resulta que se desean variaciones de la
conductividad no con la temperatura sino
controlables eléctricamente por el hombre. Para
conseguir esto, se introducen átomos de otros
elementos en el semiconductor. Estos átomos se
llaman impurezas y tras su introducción, el material
semiconductor presenta una conductividad
controlable eléctricamente.
l elemento semiconductor más usado es el silicio, el
segundo el germanio, aunque idéntico
comportamiento presentan las combinaciones de
elementos de los grupos 12 y 13 con los de los
grupos 16 y 15 respectivamente (GaAs, PIn,
AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). 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.
SEMICONDUCTORES

3. 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.
Semiconductor Intrínseco

4. El cristal de silicio es diferente de un aislante porque a
cualquier temperatura por encima del cero absoluto, existe
una probabilidad finita de que un electrón en la red sea
golpeado y sacado de su posición, dejando tras de sí una
deficiencia de electrones llamada "hueco". Si se aplica un
voltaje, entonces tanto el electrón como el hueco pueden
contribuir a un pequeño flujo de corriente.
La conductividad de un semiconductor puede ser modelada
en términos de la teoría de bandas de sólidos. El modelo de
banda de un semiconductor sugiere que, a temperaturas
ordinarias hay una posibilidad finita de que los electrones
pueden alcanzar la banda de conducción, y contribuir a la
conducción eléctrica.
El término intrínseco aquí, distingue entre las propiedades
del silicio puro "intrínseco", y las propiedades radicalmente
diferentes del semiconductor dopado tipo N o tipo P.
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. Corriente de Semiconductor
La corriente que fluirá en un semiconductor
intrínseco consiste en corriente de ambos electrones
y huecos. Es decir, los electrones que han sido
liberados de sus posiciones en la red dentro de la
banda de conducción, se pueden mover a través del
material.
Además, otros electrones pueden saltar entre las
posiciones de la red para llenar las vacantes dejadas
por los electrones liberados. Este mecanismo
adicional se llama conducción de huecos, porque es
como si los huecos estuvieran emigrando a través
del material en dirección opuesta al movimiento de
electrones libres.
El flujo de corriente en un semiconductor intrínseco
está influenciado por la densidad de estados de
energía la cual a su vez, influencia la densidad de
electrones en la banda de conducción. Esta corriente
es dependiente altamente de la temperatura.

6. Electrones y Huecos
En un semiconductor intrínseco como el silicio a temperatura por encima del cero
absoluto, habrá algunos electrones que serán excitados, cruzarán la banda prohibida y
entrando en la banda de conducción, podrán producir corriente. Cuando el electrón del
silicio puro atraviesa la banda prohibida, deja tras de sí un puesto vacante de
electrones o "hueco" en la estructura cristalina del silicio normal.
Bajo la influencia de una tensión externa, tanto el electrón como el hueco se pueden
mover a través del material. En un semiconductor tipo n, el dopante contribuye con
electrones extras, aumentando drásticamente la conductividad. En un semiconductor
tipo p, el dopante produce vacantes adicionales o huecos, que también aumentan la
conductividad. Sin embargo, el comportamiento de la unión p-n es la clave para la
enorme variedad de dispositivos electrónicos de estado sólido.

7. Cuando el silicio se encuentra en estado puro es un
semiconductor intrínseco. Una barra de silicio puro
está formada por un conjunto de átomos enlazados
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.

8. 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.

9. Semiconductor Extrínseco
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.

11. Semiconductor tipo N: Se emplean como impurezas
elementos pentavalentes (con 5 electrones de valencia)
como el Fósforo (P), el Arsénico (As) o el Antimonio (Sb).
El donante aporta electrones en exceso, los cuales al no
encontrarse enlazados, se moverán fácilmente por la red
cristalina aumentando su conductividad. De ese modo, el
material tipo N se denomina también donador de
electrones.
Según la impureza (llamada dopante) distinguimos:
Semiconductor tipo P: se emplean elementos trivalentes
(3 electrones de valencia) como el Boro (B), Indio (In) o
Galio (Ga) como dopantes. Puesto que no aportan los 4
electrones necesarios para establecer los 4 enlaces
covalentes, en la red cristalina éstos átomos presentarán
un defecto de electrones (para formar los 4 enlaces
covalentes). De esa manera se originan huecos que
aceptan el paso de electrones que no pertenecen a la red
cristalina. Así, al material tipo P también se le denomina
donador de huecos (o aceptador de electrones).

13. El Dopado de Semiconductores
La adición de un pequeño porcentaje de átomos
extraños en la red cristalina regular de silicio o
germanio, produce unos cambios
espectaculares en sus propiedades eléctricas,
dando lugar a los semiconductores de tipo n y
tipo p.
Impurezas pentavalentes
Los átomos de impurezas con 5 electrones de
valencia, producen semiconductores de tipo n,
por la contribución de electrones extras.
Impurezas trivalentes
Los átomos de impurezas con 3 electrones
de valencia, producen semiconductores de
tipo p, por la producción de un "hueco" o
deficiencia de electrón.

14. 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.
Bandas en Semiconductores Dopados

15. El diodo
El diodo es un componente electrónico que
consiste simplemente en la unión de dos
cristales semiconductores extrínsecos, uno
tipo N y otro tipo P.
Al unirlos, parte del exceso de electrones del
tipo N pasa al cristal de tipo P, y parte de los
huecos del tipo P pasan al cristal tipo P.
Creándose en la unión una franja llamada
zona de transición que tiene un campo
eléctrico que se comporta como una barrera
que se opone al paso de más electrones
desde la zona N hacia la zona P y de huecos
desde la zona P a la zona N.

16.  http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor#Semiconductores_intr.C3.ADnsecos
 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/hframe.html
 http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_5.htm
 http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/dopado.asp
 http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo
 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/hframe.html
 http://pelandintecno.blogspot.com/2014/04/semiconductores-intrinsecos-y.html
 http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2008/04/materiales-
semiconductores.pdf
 http://fisicauva.galeon.com/aficiones1925813.html
 http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_7.htm
Bibliografía