Este documento trata sobre los semiconductores. Explica que los semiconductores son elementos que pueden comportarse como conductores o aislantes dependiendo de factores como el campo eléctrico, la temperatura o la radiación. Luego enumera los elementos químicos semiconductores y describe los procesos de dopaje para crear semiconductores intrínsecos y extrínsecos tipo N y P.

1. SEMICONDUCTORES
PEDRO VELASQUEZ HURTADO
INGENIERÍA DE SISTEMAS E INFORMÁTICA

2. Semiconductor
• Es un elemento que se comporta como un conductor o como un
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. Los
elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se
indican en la tabla adjunta.

3. SEMICONDUCTORES
Elemento Grupos
Electrones en
la última capa
Cd 12 2 e-
Elemento Grupos
Electrones en
la última capa
Cd 12 2 e-
Al, Ga, B, In 13 3 e-
Al, Ga, B, In 13 3 e-
Si, C, Ge 14 4 e-
Si, P, As, C, Ge Sb 15 14 4 5 e-
e-
Se, Te, (S) 16 6 e-
P, As, Sb 15 5 e-
Se, Te, (S) 16 6 e-

4. Semiconductores intrínsecos
• Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraédrica similar a
la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura
representados en el plano por simplicidad. 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 (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de
1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.

5. • 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 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

6. • 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 (27 ºC):
• ni(Si) = 1.5 1010cm-3
• ni(Ge) = 2.4 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 (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.

7. GRÁFICOS INTRÍNSECOS

9. semiconductores dopados
• 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.

10. • 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.

11. Elementos dopantes
• Semiconductores de Grupo IV
• Para los semiconductores del Grupo IV como Silicio, Germanio y
Carburo de silicio, los dopantes más comunes son elementos del
Grupo III o del Grupo V. Boro, Arsénico, Fósforo, y ocasionalmente
Galio, son utilizados para dopar al Silicio

12. 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 semiconductores. 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.

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

14. • 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.

15. • 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.

16. • Dopaje en conductores orgánicos
• Artículo principal: Polímero conductor
• 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.

17. • 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.

19. BIBLIOGRAFÍA
• Boylestad, R. y Nashelsky, L. (2009). Electrónica: teoría de
circuitos y dispositivos electrónicos. 8ª ed. México: Prentice Hall.
ISBN: 9788420529998
Capitulo 1 Diodos Semiconductores
• Malvino, A. (2007). Principios de electrónica. (7ª Ed.) McGraw Hill.
(ISBN: 9788448156190)
Capitulo 1 Introducción

20. OTRAS FUENTES:
• http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg/html.files/LibroWeb.html
• http://www.smps.us/tools.html
• http://www.pdfoo.com/pdf-336/electronic-circuit.html
• http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/5573
• http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/7829
• http://openbookproject.net/electricCircuits/index.htm
• http://openbookproject.net/electricCircuits/Semi/index.html
• http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg/html.files/LibroWeb.html