1. MATERIALES SEMICONDUCTORES
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.
Existen dos tipos de impurezas, las P y las N, que cambian la conductividad del silicio y
determinan el tipo de cristal a fabricar. Por tanto, como hay dos tipos de impurezas habrá dos
tipos fundamentales de cristales, cristales de impurezas P y cristales de impurezas tipo N.
2. El material semiconductor más utilizado es el Silicio (Si), pero hay otros semiconductores
como el Germanio (Ge) que también son usados en la fabricación de circuitos. El silicio
está presente de manera natural en la arena por lo que se encuentra con abundancia en la
naturaleza. Además, el Si presenta propiedades mecánicas y eléctricas buenas. Su
purificación es relativamente sencilla (llegándose a Si puro del 99,99999%) y el Si se presta
fácilmente a ser oxidado, formándose SiO2 y constituyendo un aislante que se utiliza en
todos los transistores de la tecnología CMOS.
3. TABLA DE ELEMENTOS SEMICONDUCTORES
Número Atómico
Nombre del
Elemento
Grupo en la Tabla
Periódica
Categoría
Electrones en la
última órbita
Números de
valencia
48 Cd (Cadmio) IIa Metal 2 e- +2
5 B (Boro)
IIIa
Metaloide 3 e- +3
13 Al (Aluminio)
Metal31 Ga (Galio)
49 In (Indio)
14 Si (Silicio)
IVa Metaloide
4 e- +4
32 Ge (Germanio)
15 P (Fósforo)
Va
No metal 5 e- +3, -3, +5
33 As (Arsénico)
Metaloide
51 Sb (Antimonio)
16 S (Azufre)
VIa
No metal
6 e- +2, -2 +4, +6
34 Se (Selenio)
52 Te (Telurio) Metaloide
4. SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS"
El semiconductor es “intrínseco” es 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.
5. ILUSTRACION EN LA FIGURA
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.
6. ESTRUCTURA CRISTALINA DE UN SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO (Si)
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.
7. 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".
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.
8. ILUSTRACION
A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea (wafer) o cristal semiconductor de.
silicio pulida con brillo de espejo, destinada a la fabricación de transistores y circuitos.
integrados. A la derecha aparece la cuarta parte de la oblea conteniendo cientos de.
minúsculos dados o “chips”, que se pueden obtener de cada una. Esos chips son los. que
después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se convertirán en. transistores o
circuitos integrados. Una vez que los chips se han convertido en transistores o circuitos
integrados serán desprendidos de la oblea y colocados dentro de una cápsula protectora
con sus correspondientes conectores externos.
9. CONVERSIÓN DEL SILICIO 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".
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).
10. 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.
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.
11. SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-N"
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.
12. ILUSTRACION
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.
13. 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.
14. ILUSTRACION
Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si). que forman, como en el caso
anterior, una celosía, dopada ahora con átomos de galio (Ga) para formar un.
semiconductor “extrínseco”. Como se puede observar en la ilustración, los átomos de silicio
(con cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia) se unen formando enlaces
covalente con los átomos de galio (con tres electrones en su banda de valencia). En esas
condiciones quedará un hueco con defecto de electrones en la estructura. cristalina de
silicio, convirtiéndolo en un semiconductor tipo-P (positivo) provocado por el defecto de
electrones en la estructura.
