Este documento describe los semiconductores intrínsecos y dopados. Los semiconductores intrínsecos tienen igual número de electrones y huecos, mientras que los dopados tienen un exceso de uno u otro. Los semiconductores tipo N están dopados con impurezas pentavalentes que añaden electrones, mientras que los tipo P están dopados con impurezas trivalentes que añaden huecos. El dopaje aumenta en gran medida la conductividad eléctrica de los semiconductores.

1. SEMICONDUCTORES INTRENSICOSEMICONDUCTORES DOPADOS

2. SEMICONDUCTORES INTRENSICOEs 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 0,7 eV y 0,3 eV para el silicio y el germanio respectivamente.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 invariable. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:ni = n = p 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 (25ºc):ni(Si) = 1.5 1010cm-3ni(Ge) = 2.5 1013cm-3

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.En un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente total resultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares, por lo tanto hay tantos electrones libres como huecos con lo que la corriente total es cero.Cuando los electrones libres llegan al extremo derecho del cristal, entran al conductor externo (normalmente un hilo de cobre) y circulan hacia el terminal positivo de la batería. Por otro lado, los electrones libres en el terminal negativo de la batería fluirían hacia el extremo izquierdo del cristal. Así entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo izquierdo del cristal. Se produce un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor.

4. 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.

5. Flujo de electrones libresLa figura anexa muestra parte un cristal de silicio entre dos placas metálicas cargadas. Supóngase que la energía térmica ha producido un electrón libre y un hueco. El electrón libre se halla en una órbita grande en el extremo derecho del cristal. Debido a la placa cargada negativamente, el electrón libre es repelido hacia la izquierda. Este electrón puede pasar de una órbita grande a la siguiente hasta alcanzar la placa positiva.Flujo de huecosObsérvese el hueco a la izquierda de la figura anterior. Este hueco atrae el electrón de valencia del punto A, lo que provoca que el electrón de valencia se mueva hacia el hueco. Esta acción no es la misma que la recombinación, en la cual un electrón libre cae en un hueco. En vez de un electrón libre, se tiene un electrón de valencia moviéndose hacia un hueco.Cuando el electrón de valencia en el punto A se mueve hacia la izquierda, crea un nuevo hueco en el punto A. El efecto es el mismo que si el hueco original se desplazara hacia la derecha. El nuevo hueco en el punto A puede atraer y capturar otro electrón de valencia. De esta forma, los electrones de valencia pueden desplazarse a lo largo de la trayectoria indicada por las flechas. Esto quiere decir que el hueco se puede mover en el sentido opuesto a lo largo de la trayectoria A-B-C-D-E-F.

6. En 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.

7. Semiconductor dopadoUna forma de aumentar la conductividad de un semiconductor es mediante el dopado. El dopado supone que deliberadamente se añaden átomos de impurezas a un cristal intrínseco para modificar su conductividad eléctrica. Un semiconductor dopado se llama semiconductor extrínseco.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.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.

8. 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

9. Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exteriorLa 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".El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco .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.Un semiconductor se puede dopar para que tenga un exceso de electrones libres o un exceso de huecos. Debido a ello, existen dos tipos de semiconductores dopados.Semiconductor tipo PSemiconductor tipo N

10. Semiconductor tipo nComo 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.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.

11. 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.El silicio que ha sido dopado con una impureza pentavalente se llama semiconductor tipo n. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de portadores mayoritarios, mientras que a los huecos se les denomina portadores minoritarios.Al aplicarse una tensión, los electrones libres dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco.Los electrones libres mostrados en la figura circulan hacia el extremo izquierdo, donde entran al conductor y fluyen hacia el terminal positivo de la batería. Además de los electrones libres, algún electrón de valencia abandona ocasionalmente el extremo izquierdo del cristal. La salida de este electrón de valencia crea un hueco en el extremo izquierdo de cristal.Figura: Semiconductor tipo n

12. Son los que están dopados, con elementos pentavalentes, como por ejemplo (As, P, Sb). Que sean elementos pentavalentes, quiere decir que tienen cinco electrones en la última capa, lo que hace que al formarse la estructura cristalina, un electrón quede fuera de ningún enlace covalente, quedándose en un nivel superior al de los otros cuatro. Como consecuencia de la temperatura, además de la formación de los pares e-h, se liberan los electrones que no se han unido.Como ahora en el semiconductor existe un mayor número de electrones que de huecos, se dice que los electrones son los portadores mayoritarios, y a las impurezas se las llama donadoras.En cuanto a la conductividad del material, esta aumenta de una forma muy elevada, por ejemplo; introduciendo sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es 24100 veces mayor que la del silicio puro.

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 Illa 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.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.

14. 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.Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. En la Figura los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo.En el diagrama de la Figura hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito.En este caso son los que están dopados con elementos trivalentes, (Al, B, Ga, In). El hecho de ser trivalentes, hace que a la hora de formar la estructura cristalina, dejen una vacante con un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia, pues no existe el cuarto electrón que lo rellenaría.

15. Esto hace que los electrones salten a las vacantes con facilidad, dejando huecos en la banda de valencia, y siendo los huecos portadores mayoritarios.Los semiconductores extrínsecos se caracterizan, porque tienen un pequeño porcentaje de impurezas, respecto a los intrínsecos; esto es, posee elementos trivalentes o pentavalentes, o lo que es lo mismo, se dice que el elemento está dopado. Dependiendo de si está dopado de elementos trivalentes, o pentavalentes

16. Fuente de InformaciónSemiconductor - Wikipedia, la enciclopedia librees.wikipedia.org/wiki/SemiconductorIr a Semiconductores intrínsecos‎: siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del tipo de elemento. ...Tipos de semiconductores - Véase También - Enlaces externosSemiconductores intrínsecoswww.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/.../Pagina4.htmEn un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente total resultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la ...Semiconductores Intrínsecosfisicauva.galeon.com/aficiones1925812.htmlLos elementos semiconductores por excelencia son el silicio y el germanio, aunque existen otros elementos como el estaño, y compuestos como el arseniuro ...Semiconductores "intrínsecos" - Así funcionawww.asifunciona.com/fisica/...semiconductor/ke_semiconductor_4.ht...13 Ene 2011 – Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de ...[PDF] SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Y EXTRÍNSECOShttps://www.u-cursos.cl/ingenieria/2008/2/ME32A/1/.../202803Formato de archivo: PDF/Adobe Acrobat - Vista rápidaSEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Y EXTRÍNSECOS. Fig. 1 Esquema de bandas de un semiconductor puro o extrínseco. De ser proporcionada la energía …