1. FISICA ELECTRONICA
IV CICLO
Teódulo Andrés Bambarén Alcalá
SEMICONDUCTORES
- Intrínsecos
- Dopados

2. SEMICONDUCTORES
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 pudiera
captarlas.
Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor
de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es
debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los
semiconductores se producen corrientes producidas por el movimiento de
electrones como de las cargas positivas (huecos).

3. Los "semiconductores" como el silicio (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.
Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos,
denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente
a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida.
Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta
comprendida entre la de los metales y la de los aislantes.
Según su pureza se pueden clasificar en dos tipos:
• Semiconductores intrínsecos
• Semiconductores extrínsecos o dopados.

4. 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.
El cristal de silicio es diferente de un
aislante porque a cualquier temperatura
por encima del cero absoluto, existe una
probabilidad finita de que un electrón en
la red sea golpeado y sacado de su
posición, dejando tras de sí una
deficiencia de electrones llamada
"hueco".
Si se aplica un voltaje, entonces tanto el electrón como el hueco
pueden contribuir a un pequeño flujo de corriente.

5. Semiconductores intrínsecos
La conductividad de un semiconductor puede ser modelada en
términos de la teoría de bandas de sólidos. El modelo de banda de un
semiconductor sugiere que, a temperaturas ordinarias hay una
posibilidad finita de que los electrones pueden alcanzar la banda de
conducción, y contribuir a la conducción eléctrica.
El término intrínseco aquí, distingue entre las propiedades del silicio
puro "intrínseco", y las propiedades radicalmente diferentes del
semiconductor dopado tipo n o tipo p.
La corriente que fluirá en un semiconductor intrínseco consiste en
corriente de ambos electrones y huecos. Es decir, los electrones que
han sido liberados de sus posiciones en la red dentro de la banda de
conducción, se pueden mover a través del material.
Además, otros electrones pueden saltar entre las posiciones de la red
para llenar las vacantes dejadas por los electrones liberados. Este
mecanismo adicional se llama conducción de huecos, porque es como
si los huecos estuvieran emigrando a través del material en dirección
opuesta al movimiento de electrones libres.

6. Semiconductores intrínsecos
El flujo de corriente en un semiconductor intrínseco está influenciado
por la densidad de estados de energía la cual a su vez, influencia la
densidad de electrones en la banda de conducción. Esta corriente es
dependiente altamente de la temperatura.
La conductividad de un
semiconductor puede ser
modelada en términos de la
teoría de bandas de sólidos. El
modelo de banda de un
semiconductor sugiere que, a
temperaturas ordinarias hay
una posibilidad finita de que los
electrones pueden alcanzar la
banda de conducción, y
contribuir a la conducción
eléctrica.

7. Semiconductores intrínsecos
Como se puede apreciar en la
imagen de la derecha, 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.

8. Semiconductores intrínsecos
Estructura cristalina de un
semiconductor intrínseco está
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.

9. Semiconductores dopados
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.
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.

10. Semiconductores dopados
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),
y una anchura de alrededor de medio
milímetro pulida como un espejo.
Como puede apreciarse en la imagen de la
derecha la oblea de silicio es una fina hoja
de material semiconductor, generalmente
el silicio es usado en la fabricación de
circuitos integrados y otros micro-
controladores.

11. Semiconductores dopados
Las obleas de silicio actúan como substrato para
la fabricación de microcircuitos mediante técnicas
de dopado, grabado químico y deposición de
varios materiales. Se usan principalmente en la
fabricación de dispositivos semiconductores como
los circuitos integrados.
En la parte superior del grafico a la derecha 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. En la parte inferior 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.

12. 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.
Semiconductores dopados
Otro elemento utilizado como semiconductor, pero en menor propor-
ción que el silicio, es el cristal de germanio (Ge).

13. Semiconductores dopados
Los semiconductores dopados son muy utilizados en los paneles
solares como componentes de la célula fotovoltaica.
La capa superior de la celda se
compone de silicio dopado de
tipo n.1 En esta capa, hay un
número de electrones libres
mayor que una capa de silicio
puro, de ahí el nombre del
dopaje n, como carga negativa
(electrones). El material permanece eléctricamente neutro: es la red
cristalina quien tiene globalmente una carga negativa.
La capa inferior de la celda se compone de silicio dopado de tipo p.2
Esta capa tiene por lo tanto una cantidad media de electrones libres
menor que una capa de silicio puro, los electrones están ligados a la
red cristalina que, en consecuencia, está cargada positivamente. La
conducción eléctrica está asegurada por los huecos, positivos (p).

14. Referencias:
• http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_3.
htm
• http://www.ecured.cu/index.php/Semiconductores
• http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/dopado.asp
• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/intrin.html#c1
• http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_5.
htm
• http://www.esco-tel.com/Paneles_solares_como_funcionan.html
• http://www.uciencia.uma.es/Coleccion-cientifico-
tecnica/Informatica/Galeria/Oblea-de-silicio4