Este documento describe la estructura y propiedades de los semiconductores. Explica que los semiconductores están compuestos de átomos unidos por enlaces covalentes, los cuales pueden romperse para liberar electrones y huecos. También describe cómo dopar semiconductores para crear los tipos n y p, así como el funcionamiento de las uniones p-n formadas al unir ambos tipos, incluyendo su comportamiento en polarización directa e inversa.

1. Ingeniería de Sistemas e Informática
Física y Electrónica
Semiconductores
IV CICLO
Victor Manuel Garcia Vara

2. Estructura de un semiconductor
Enlaces
covalentes
Átomos de Si
o Ge
Los cuatro electrones de la capa exterior se comparten entre los
átomos vecinos.
Estructura de un
cristal de Si o Ge

3. Semiconductor intrínseco
Enlace covalente
roto
Electrón libre
A temperatura ambiente algunos de los enlaces covalentes se rompen y producen
electrones libres y huecos que contribuyen a la conducción.
Electrón libre
Huecos
Banda de conducción
Banda de valencia

4. Corriente en un semiconductor
Cuando se aplica un campo eléctrico a un semiconductor intrínseco, se
produce una corriente formada por dos componentes: corriente de electrones
en contra del campo n corriente de huecos a favor del campo.
I = q A p µp E+ q A n µn E = q A (p µp + n µn )E
Donde p es la densidad de huecos, n la densidad de electrones, µp es la
movilidad de huecos y µn es la movilidad de electrones.
A temperatura ambiente n = 1012
para Si y 109
para Ge.
Banda de conducción
Banda de valencia
E
E

5. Bandas en semiconductores intrínsecos y dopados:
Los portadores mayoritarios son los portadores que están en exceso en un
semiconductor dopado. En los semiconductores tipo n son mayoritarios los
electrones y en los tipo p los huecos. Los portadores en defecto se llamas
portadores minoritarios.
Semiconductores dopados

6. Dopado no uniforme
Debido a la deferencia de concentración de portadores debe existir una
corriente de difusión en el material, por lo tanto debe existir una corriente de
arrastre (y un campo eléctrico) que equilibre la corriente de difusión.
p1 p2>
V1 V2

7. Unión p-n
Al unir una región tipo p con otra tipo n, se produce una igualación del
nivel de Fermi.
Esto implica que la banda de conducción del lado p se encuentre en un
nivel más alto respecto a la del lado n.
Banda de conducción
Tipo N Tipo P
Banda de valencia
Nivel de Fermi
Nivel de Fermi
Banda de conducción
Tipo N
Tipo P
Banda de valencia
Nivel de Fermi
Nivel de Fermi

8. Unión p-n en equilibrio
n
a
d
p x
N
N
x =
Los huecos del lado p se difunden a través de la unión hacia el lado n y lo
mismo pasa con los electrones del lado n hacia el lado p.
Los electrones difundidos del lado p se combinan con los átomos aceptores
formando una región de átomos cargados negativamente y los huecos que se
difunden del lado n se combinan con los átomos donadores formando una
región de átomos cargados positivamente.
El proceso se interrumpe cuando el potencial formado por las dos regiones
cargadas es suficiente para impedir el flujo de más cargas eléctricas.
P N
+
+
+
+
−
−
−
−
Región de agotamiento
El ancho de la región de
agotamiento depende de las
concentraciones Nd y Na.

9. Concentración de huecos y
electrones
La concentración de huecos y electrones en el diodo de unión se muestra en la
siguiente figura. Se suponen Na > Nd.

10. Polarización inversa
Consideremos un diodo pn polarizado como se muestra.
La polarización jala a los huecos y a los electrones alejándolos de la
unión incrementando el ancho de la región de agotamiento.
Se produce una pequeña corriente de huecos provenientes del lado n y
electrones de lado p llamada Corriente Inversa de Saturación.
p n
− +

11. Polarización directa
Consideremos un diodo pn polarizado como se muestra.
La polarización empuja a los huecos y a los electrones acercándolos a la
unión disminuyendo el ancho de la región de agotamiento.
Se produce una corriente de huecos provenientes del lado p y electrones
de lado n. Los huecos insertados en el lado n forman una corriente de
difusión de portadores minoritarios
p n
−+

12. Corriente de portadores minoritarios
en el diodo polarizado directamente
Se puede demostrar que la
corriente de huecos inyectada al
lado n es:
p n
−+
I
corriente
distancia
Ipn(0)
Inp(0)
Ipn(x)
Inp(x)
NA > ND
( ) ( )10 0
−= TVV
p
np
pn e
L
pAqD
I
V
( ) ( )10 0
−= TVV
n
nn
np e
L
nAqD
I
Similarmente para electrones