El documento resume la historia y propiedades de los semiconductores. Explica que los primeros semiconductores usados fueron detectores de galena en radiorreceptores a principios del siglo 20. Luego, en 1940 se descubrió que la conductividad de ciertos cristales variaba con la luz, lo que llevó al desarrollo de celdas solares. Finalmente, en 1947 se desarrolló el primer transistor de germanio, base de la electrónica moderna.

1. UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
INGENIERÍA DE SI STEMAS E INFORMÁTICA
“ S EMI CONDU C TOR E S ”
“ I N T R Í N S E C O S Y E X T R Í N S E C O S ( D O P A D O S ) ”
AS IGNATURA: F Í S ICA E LECTRÓNICA
PROF E SORA: CONDORI ZAMORA KE L LY
NOMBRE : CAS SANA JUÁRE Z EDUARDO
2014

2. SEMICONDUCTOR: HISTORIA
Los primeros semiconductores utilizados
para fines técnicos fueron pequeños
detectores diodos empleados a principios del
siglo 20 en los primitivos radiorreceptores,
que se conocían como “de galena”. Ese
nombre lo tomó el radiorreceptor de la
pequeña piedra de galena o sulfuro de plomo
(PbS) que hacía la función de diodo y que
tenían instalado para sintonizar las emisoras
de radio. La sintonización se obtenía
moviendo una aguja que tenía dispuesta
sobre la superficie de la piedra. Aunque con
la galena era posible seleccionar y escuchar
estaciones de radio con poca calidad
auditiva, en realidad nadie conocía que
misterio encerraba esa piedra para que
Los "semiconductores" como el silicio pudiera captarlas.
(Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se),
por ejemplo, constituyen elementos que
poseen características intermedias
entre los cuerpos conductores y los
aislantes, por lo que no se consideran ni
una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo
determinadas condiciones esos mismos
elementos permiten la circulación de la
corriente eléctrica en un sentido, pero
no en el sentido contrario. Esa
propiedad se utiliza para rectificar
corriente alterna, detectar señales de
radio, amplificar señales de corriente
eléctrica, funcionar como interruptores
o compuertas utilizadas en electrónica
digital, etc.
Lugar que ocupan en la Tabla
Periódica los trece elementos con
características de semiconductores,
identificados con su correspondiente
número atómico y grupo al que
pertenecen.
Los que aparecen con fondo
gris corresponden a “metales”, los de
fondo verde a “metaloides” y los de
Fondo azul a “no metales”.
En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios
Bell, descubrió que si a ciertos cristales se le añadía
una pequeña cantidad de impurezas su conductividad
eléctrica variaba cuando el material se exponía a una
fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al
desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares.
Posteriormente, en 1947 William Shockley,
investigador también de los Laboratorios Bell, Walter
Brattain y John Barden, desarrollaron el primer
dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que
denominaron “transistor” y que se convertiría en la
base del desarrollo de la electrónica moderna.

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

4. INCREMENTO DE LA CONDUCTIVIDAD EN UN
ELEMENTO SEMICONDUCTOR
Los átomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco electrones en su última órbita, de acuerdo con el elemento
específico al que pertenecen. No obstante, los elementos más utilizados por la industria electrónica, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), poseen
solamente cuatro electrones en su última órbita. En este caso, el equilibrio eléctrico que proporciona la estructura molecular cristalina característica
de esos átomos en estado puro no les permite ceder, ni captar electrones. Normalmente los átomos de los elementos semiconductores se unen
formando enlaces covalentes y no permiten que la corriente eléctrica fluya a través de sus cuerpos cuando se les aplica una diferencia de potencial
o corriente eléctrica. En esas condiciones, al no presentar conductividad eléctrica alguna, se comportan de forma similar a un material aislante.
La conductividad eléctrica de los
cuerpos materiales (σ) constituye la
capacidad que tienen de conducir la
corriente eléctrica. La fórmula
matemática para hallar la
conductividad es la siguiente:
휎 =
1
푅
.
퐿
퐴
Como se puede apreciar en esta
fórmula, la conductividad (σ) se obtiene
hallando primeramente el resultado de
la recíproca de la resistencia (o sea,
1/R) multiplicándolo a continuación por
el resultado que se obtiene de dividir la
longitud del material (L) entre su área
(A). En esta fórmula se puede observar
también que la resistencia (R) es
inversamente proporcional a (σ), por lo
que, a menor resistencia en ohm de un
cuerpo, la conductividad resultante será
mayor.
La mayor o menor conductividad
eléctrica que pueden presentar los
materiales semiconductores
depende en gran medida de su
temperatura interna. En el caso de
los metales, a medida que la
temperatura aumenta, la
resistencia al paso de la corriente
también aumenta, disminuyendo la
conductividad. Todo lo contrario
ocurre con los elementos
semiconductores, pues mientras su
temperatura aumenta, la
conductividad también aumenta.
En resumen, la conductividad de un
elemento semiconductor se puede
variar aplicando uno de los
siguientes métodos:
Elevación de su temperatura
Introducción de impurezas (dopaje)
dentro de su estructura cristalina
Incrementando la iluminación.

5. SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
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.
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.

6. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
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".
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.
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.
El segundo elemento también utilizado
como semiconductor, pero en menor
proporción que el silicio, es el cristal de
germanio (Ge). Durante mucho tiempo se
empleó también el selenio (S) para
fabricar diodos semiconductores en forma
de placas rectangulares, que combinadas
y montadas en una especie de eje se
empleaban para rectificar la corriente
alterna y convertirla en directa. Hoy en día,
además del silicio y el germanio, se
emplean también combinaciones de otros
elementos semiconductores presentes en
la Tabla Periódica. Entre esas
combinaciones se encuentra la formada
por el galio (Ga) y el arsénico (As) utilizada
para obtener arseniuro de galio (GaAs),
material destinado a la fabricación de
diodos láser empleados como dispositivos
de lectura en CDs de audio.

7. CONVERSIÓN DEL SILICIO O GERMANIO EN
SEMICONDUCTOR "TIPO-N" O EN "TIPO-P"
Tanto los cristales de silicio (Si)
como los de germanio (Ge) en
estado puro se pueden convertir
en dispositivos semiconductores,
capaces de conducir la corriente
eléctrica si para ello alteramos
su estructura molecular
cristalina introduciendo ciertas
cantidades de "impurezas"
Cuando añadimos a la estructura
cristalina del silicio o del germanio
una pequeña cantidad de átomos
de un elemento pentavalente en
función de “impurezas”, estos
átomos adicionales reciben el
nombre de "donantes", porque cada
uno dona o cede uno de sus cinco
electrones a la estructura cristalina
del semiconductor. Si, por el
contrario, los átomos que se
añaden como impurezas son
trivalentes, se denominan entonces
"aceptantes”, porque cada uno
tendrá que captar o aceptar un
electrón procedente de la propia
estructura cristalina del silicio o del
germanio.
Para realizar ese cambio será necesario introducir átomos
de otros elementos semiconductores apropiados que
posean tres electrones en su banda de valencia o última
órbita (átomos trivalentes) o también cinco electrones en
esa propia órbita (átomos pentavalentes). A tales efectos se
consideran impurezas los siguientes elementos con átomos
trivalentes: aluminio (Al), galio (Ga) e indio (In). También se
consideran impurezas los átomos pentavalentes de arsénico
(As), fósforo (P) o de antimonio (Sb).
La conductividad que presente
finalmente un semiconductor
“dopado” dependerá de la
cantidad de impurezas que
contenga en su estructura
cristalina. Generalmente para
una proporción de un átomo de
impureza que se añade por
cada 100 millones de átomos
del elemento semiconductor, la
conductividad aumenta en 16
veces.

8. SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-N"
Como ya conocemos, ni los átomos de
silicio, ni los de germanio en su forma
cristalina ceden ni aceptan electrones
en su última órbita; por tanto, no
permiten la circulación de la corriente
eléctrica, por tanto, se comportan
como materiales aislantes.
Pero si la estructura cristalina de uno de esos elementos semiconductores la dopamos añadiéndole una pequeña
cantidad de impurezas provenientes de átomos de un metaloide como, por ejemplo, antimonio (Sb) (elemento
perteneciente los elementos semiconductores del Grupo Va de la Tabla Periódica, con cinco electrones en su
última órbita o banda de valencia), estos átomos se integrarán a la estructura del silicio y compartirán cuatro de
sus cinco electrones con otros cuatro pertenecientes a los átomos de silicio o de germanio, mientras que el quinto
electrón restante del antimonio, al quedar liberado, se podrá mover libremente dentro de toda la estructura
cristalina. De esa forma se crea un semiconductor extrínseco tipo-N, o negativo, debido al exceso de electrones
libres existentes dentro de la estructura cristalina del material semiconductor
Si a un semiconductor tipo-N le aplicamos una
diferencia de potencial o corriente eléctrica en
sus extremos, los electrones libres portadores de
cargas negativas contenidos en la sustancia
impura aumentan. Bajo esas condiciones es
posible establecer un flujo de corriente
electrónica a través de la estructura cristalina
del semiconductor si le aplicamos una
diferencia de potencia o corriente eléctrica.
No obstante, la posibilidad de que al
aplicárseles una corriente eléctrica los
electrones se puedan mover libremente a
través de la estructura atómica de un
elemento semiconductor es mucho más
limitada que cuando la corriente fluye por
un cuerpo metálico buen conductor.
Estructura cristalina compuesta por
átomos de silicio (Si) formando una
celosía. Como se puede observar, esta
estructura se ha dopado añadiendo
átomos de antimonio (Sb) para crear un
material semiconductor “extrínseco”. Los
átomos de silicio (con cuatro electrones
en la última órbita o banda de valencia)
se unen formando enlaces covalentes
con los átomos de antimonio (con cinco
en su última órbita banda de valencia).
En esa unión quedará un electrón libre
dentro de la estructura cristalina del
silicio por cada átomo de antimonio que
se haya añadido. De esa forma el cristal
de silicio se convierte en material
semiconductor tipo-N (negativo) debido
al exceso electrones libres con cargas
negativas presentes en esa estructura.

9. SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-P"
Si en lugar de introducir átomos
pentavalentes al cristal de silicio o de
germanio lo dopamos añadiéndoles
átomos o impurezas trivalentes como de
galio (Ga) (elemento perteneciente al
Grupo IIIa de la Tabla Periódica con tres
electrones en su última órbita o banda de
valencia), al unirse esa impureza en
enlace covalente con los átomos de
silicio quedará un hueco o agujero,
debido a que faltará un electrón en cada
uno de sus átomos para completar los
ocho en su última órbita. En este caso, el
átomo de galio tendrá que captar los
electrones faltantes, que normalmente
los aportarán los átomos de silicio, como
una forma de compensar las cargas
eléctricas. De esa forma el material
adquiere propiedades conductoras y se
convierte en un semiconductor extrínseco
dopado tipo-P (positivo), o aceptante,
debido al exceso de cargas positivas que
provoca la falta de electrones en los
huecos o agujeros que quedan en su
estructura cristalina..
El silicio que ha sido dopado
con impurezas trivalentes se
llama semiconductor tipo p,
donde p hace referencia a
positivo. La figura representa
un semiconductor tipo p. Como
el número de huecos supera el
número de electrones libres,
los huecos son los portadores
mayoritarios y los electrones
libres son los minoritarios.
El electrón faltante produce un
hueco el cual se comporta
como una carga positiva libre,
capaz de atraer un electrón
externo. Por lo tanto, un
semiconductor tipo P, es un
aceptor de electrones. Los
principales elementos
utilizados como impurezas
aceptoras son el Aluminio, el
boro, el indio y el galio.

10. MECANISMO DE CONDUCCIÓN DE UN
SEMICONDUCTOR
Cuando a un elemento semiconductor le
aplicamos una diferencia de potencial o
corriente eléctrica, se producen dos flujos
contrapuestos: uno producido por el movimiento
de electrones libres que saltan a la “banda de
conducción” y otro por el movimiento de los
huecos que quedan en la “banda de valencia”
cuando los electrones saltan a la banda de
conducción.
Ese mecanismo de movimiento se
denomina "conducción propia del
semiconductor", que para las cargas
negativas (o de electrones) será
"conducción N", mientras que para las
cargas positivas (de huecos o
agujeros), será "conducción P".
Si analizamos el movimiento que se produce
dentro de la estructura cristalina del elemento
semiconductor, notaremos que mientras los
electrones se mueven en una dirección, los
huecos o agujeros se mueven en sentido
inverso. Por tanto, el mecanismo de
conducción de un elemento semiconductor
consiste en mover cargas negativas
(electrones) en un sentido y cargas positivas
(huecos o agujeros) en sentido opuesto.
Cuando aplicamos una diferencia
de potencial a un elemento
semiconductor, se establece una
“corriente de electrones” en un
sentido y otra “corriente de huecos”
en sentido opuesto.

11. FUENTES DE INFORMACIÓN:
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