Este documento describe los semiconductores, incluyendo su clasificación como intrínsecos o extrínsecos, y cómo elementos como el silicio y el germanio pueden convertirse en semiconductores tipo-N o tipo-P mediante la adición de impurezas. Explica también el mecanismo de conducción en los semiconductores y cómo la corriente eléctrica se produce por el movimiento de electrones y huecos.

1. FISICA ELECTRONICA
SEMICONDUCTORES
Fernando Gonzales. C.

2. SEMICONDUCTORES
Semiconductor es un elemento que se comporta
como un conductor o como 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.

3. Los elementos químicos semiconductores de la tabla
periódica

4. Materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la
siguiente forma:
Intrínsecos
Extrínsecos
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..
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.

5. semiconductor es “intrínseco”
• 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
• 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 para el uso de la industria
electrónica
• 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. 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.
• Placa individual de 2 x 2 cm de área, correspondiente a un
antiguo diodo de selenio.

9. .
• Lente (señalada con la flecha) detrás de la cual se
encuentra instalado un diodo láser de arseniuro de
galio (GaAs) empleado para leer datos de
texto, presentaciones multimedia o música grabada en
un CD. En esta ilustración el. CD se ha sustituido por
un disco similar transparente de plástico común.

10. EL CASO DEL SILICIO (SI) Y EL
GERMANIO (GE)
el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en
estado puro, es decir, como elementos intrínsecos, los electrones
de su última órbita tienden a unirse formando "enlaces
covalentes", para adoptar una estructura cristalina. Los átomos de
cualquier elemento, independientemente de la cantidad de
electrones que contengan en su última órbita, tratan siempre de
completarla con un máximo de ocho, ya sea donándolos o
aceptándolos, según el número de valencia que le corresponda a
cada átomo en específico.

11. 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

12. 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.

13. SEMICONDUCTOR DE SILICIO
"TIPO-P"
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. MECANISMO DE CONDUCCIÓN DE UN SEMICONDUCTOR
•
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.
•

15. 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

16. SEMICONDUCTOR DORADO
• Si aplicamos una
tensión al cristal de
silicio, el positivo de la
pila intentará atraer los
electrones y el
negativo los huecos
favoreciendo así la
aparición de una
corriente a través del
circuito

17. .
• Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño
valor, pues son pocos los electrones que podemos arrancar de los
enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar el valor de dicha
corriente tenemos dos posibilidades:
• Aplicar una tensión de valor superior
• Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos
desde el exterior
• La primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el
valor de la tensión aplicada, la corriente que aparece no es de
suficiente valor. La solución elegida es la segunda.
• En este segundo caso se dice que el semiconductor está "dopado".

18. LINKOGRAFIA
• http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/dopado.asp
• http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina5.
htm
• http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor
• http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_9.ht
m
• http://fisicauva.galeon.com/aficiones1925812.html
• http://www.uv.es/candid/docencia/ed_tema-02.pdf