semiconductores

2.  Como sabemos existen materiales capaces de
conducir la corriente eléctrica mejor que otros.
Generalizando, se dice que los materiales que
presentan poca resistencia al paso de la corriente
eléctrica son conductores. Analógicamente, los que
ofrecen mucha resistencia al paso de esta, son
llamados aislantes. No existe el aislante perfecto y
prácticamente tampoco el conductor perfecto.
 Existe un tercer grupo de materiales denominados
semiconductores que, como su nombre lo indica,
conducen la corriente bajo ciertas condiciones.

3.  Lo que diferencia a cada grupo es su estructura
atómica. Los conductores son, generalmente, metales
esto se debe a que dichos poseen pocos átomos en
sus últimas órbitas y, por lo tanto, tienen tendencia a
perderlos con facilidad. De esta forma, cuando varios
átomos de un metal, se acercan los electrones de su
última órbita se desprenden y circulan
desordenadamente entre una verdadera red de
átomos. Este hecho (libertad de los electrones)
favorece en gran medida el paso de la corriente
eléctrica.

4.  Los aislantes, en cambio, están formados por
átomos con muchos electrones en sus últimas
órbitas (cinco a ocho), por lo que, no tienen
tendencia a perderlos fácilmente y a no establecer
una corriente de electrones. De ahí su alta
resistencia.

5.  También existe otro tercer tipo de materiales, que
cambia en mayor o menor medida la característica de
los anteriores, los semiconductores. Su característica
principal es la de conducir la corriente sólo bajo
determinadas circunstancias, y evitar el paso de ella
en otras.
 Es, precisamente, en este tipo de materiales en los
que la electrónica de estado sólida está basada. La
estructura atómica de dichos materiales presenta una
característica común: está formada por átomos
tetravalentes (es decir, con cuatro electrones en su
última órbita), por lo que les es fácil ganar cuatro o
perder cuatro.

6.  Los semiconductores son aquellos elementos
perteneciente al grupo IV de la Tabla Periódica
(Silicio, Germanio, 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.

7.  La capa más externa con electrones es la capa de
valencia y es determinante para las propiedades
eléctricas y químicas de los elementos.
 Un electrón en la capa de valencia tiene una
energía de la banda de valencia (Ev)
 Para que el electrón escape de la atracción del
núcleo, es necesario que adquiera una energía
mínima (Eg) para situarse en la banda de
conducción (Ec).

9.  En un buen aislante, las bandas de valencia y de conducción
están muy separadas. Por tanto, para liberar pocos electrones
que contribuyan a la conducción se necesita gran cantidad de
energía. Por ejemplo, el diamante con Eg ≈ 6 eV.
 En un buen conductor, a la temperatura ambiente, las bandas
de valencia y de conducción se solapan. Por tanto, se
necesita muy poca energía para mantener corrientes
eléctricas bastante intensas.
 Los semiconductores se caracterizan por tener una Eg ≈ 1 eV.
Siendo, 1 eV = qV = (1.602x10-19
C). (1 V.) = 1.602x10-19
J.

10.  Silicio: Eg = 1.21 eV
 Germanio: Eg = 0’785 eV
 Silicio: (14 electrones)
 1s2 2s2p6 3s2p2
 La capa de valencia en los materiales
semiconductores están incompletas, deben de
ganar o perder 4 electrones.

11.  Cuando dos átomos de silicio están próximos, la
fuerza de enlace entre átomos vecinos hace que
cada electrón de valencia sea compatible por uno
de sus cuatro vecinos más próximos. ENLACE
COVALENTE.
 Estos cuatro electrones se encuentran formando
uniones covalentes con otros átomos vecinos
para así formal un cristal, que es la forma que se
los encuentra en la naturaleza.

12.  A temperatura ambiente, algunos enlaces covalentes se rompen debido
al suministro de energía térmica al cristal, y es posible la conducción.
 Cada enlace covalente roto crea un par electrón-hueco, el electrón
con carga negativa y el hueco con carga positiva (portadores)
 Cuando aparece un hueco, el electrón de valencia del átomo vecino
deja su enlace covalente y llena el hueco, esto produce un nuevo
hueco. Así, el hueco se mueve efectivamente en dirección contraria al
electrón. (campo eléctrico)
 En un semiconductor puro (intrínseco), el número de huecos (p) es
igual al número de electrones libres (n) (n=p=ni=pi)
 ni, pi son las concentraciones intrínsecas de portadores

13.  Semiconductores.
 La magnitud de la banda prohibida es pequeña ( 1
eV ), de forma que a bajas temperaturas son
aislantes, pero conforme aumenta la temperatura
algunos electrones van alcanzando niveles de energía
dentro de la banda de conducción, aumentando la
conductividad. Otra forma de aumentar la
conductividad es añadiendo impurezas que habiliten
niveles de energía dentro de la banda prohibida.
 El germanio y el silicio son semiconductores.

14.  Se denomina semiconductor puro o intrínseco aquél
en que los átomos que lo constituyen son todos del
mismo tipo (por ejemplo de germanio), es decir no
tiene ninguna clase de impureza.
 Si a un semiconductor puro como el silicio o el
germanio, se le añade una pequeña cantidad de
átomos distintos (por ejemplo arsénico, fósforo, etc).
Se transforma en un semiconductor impuro o
extrínseco.
 A las impurezas se las clasifica en donadoras y
aceptadoras.

15. Material Intrinseco
Materiales extrinsecos
TIPO n TIPO p
Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si
Si 5 Si
Si Si Si
Si Si Si
Si 4 Si
Si Si Si
Antimoni
o
Arsénico
Fósoforo
Boro
Galio
Indio

16.  Las impurezas difundidas que cuentan con cinco
electrones de valencia se denominan átomos
donadores (material tipo n).
 Las impurezas difundidas que cuentan con tres
electrones de valencia se denominan átomos
aceptadores (material tipo p).

17. Impureza de Boro en un material
tipo p.
Impureza de Antimonio en un
material tipo n.

18.  Ahora, bien para aumentar la conducción de
cualquier semiconductor se recurre a un proceso
denominado "dopado" o "envenenamiento". El
objeto del mencionado proceso es el del
aumentar la cantidad de portadores libres en el
cristal provocando un aumento en la
conductividad del mismo (recordar que la
corriente es el flujo de portadores)

19.  El dopado del cristal es realizado con átomos
trivalentes (con tres electrones en su última órbita) o
pentavalentes (con cinco). Esta elección no es
resultado de un proceso azaroso sino que uno u otro
tipo de átomo aumentará a su vez la presencia de uno
u otro tipo de portador. ¿Cómo es esto?: el silicio,
como ya se ha dicho, tiene cuatro electrones en su
última órbita que se combinan a su vez con otros
átomos para formar un cristal. Al introducir un átomo
penta o trivalente en dicho cristal, se provocará un
aumento o un defecto de electrones que hará
aumentar la cantidad portadores.

20.  Si se introduce un átomo pentavalente (P, Sb, As) en
un cristal puro, cuatro de sus electrones se unirán a
cuatro electrones de los átomos de silicio vecinos,
pero el quinto queda libre, sin formar parte de ninguna
unión, por lo que está débilmente ligado al átomo:
Este electrón libre, requerirá muy poca energía para
"saltar" a la banda de conducción. La energía térmica
del ambiente basta para provocar este salto. De esta
forma al agregar átomos pentavalentes agregamos
electrones en la banda de conducción, es decir,
agregamos portadores.

21.  De la misma forma, podemos dopar al cristal con átomos
trivalentes (como el boro, el Alumnio, el Galio, etc), esto
provocará un exceso de electrones en el cristal, ya tres de
los cuatro electrones de la última órbita del Silicio se
combinan con los tres electrones del anterior átomo. Esto
trae como consecuencia la generación de un espacio sin
electrones, que tendrá carga positiva, es decir, esto
generará un hueco.
 De esta forma podemos controlar de manera casi definida,
a través del dopado, la cantidad de electrones o huecos
que existen en un cristal. A este tipo de cristal se le
denomina extrínseco, ya que fue modificado por
elementos exteriores

22.  Cuatro de los cinco electrones del átomo de arsénico se
unirán a los correspondientes electrones de los cuatro
átomos de silicio vecinos, y el quinto quedará inicialmente
libre, sin una posible unión, y por tanto se convertirá en un
portador de corriente. A este tipo de impurezas que
entregan electrones portadores (negativos) se los
denomina donadores o del tipo «n».
 En un semiconductor con impurezas del tipo n, no sólo
aumenta el número de electrones sino que también la
cantidad de huecos disminuye por debajo del que tenía el
semiconductor puro.
 La causa de esta disminución se debe a que una parte de
los electrones libres llena algunos de los huecos
existentes.

23.  Si al semiconductor puro de silicio se le añade algún
tipo de impureza que tenga tres electrones externos,
solo podrá formar tres uniones completas con los
átomos de silicio, y la unión incompleta dará lugar a
un hueco.
 Este tipo de impurezas proporcionan entonces
portadores positivos, ya que crean huecos que
pueden aceptar electrones; por consiguiente son
conocidos con el nombre de aceptores, o impurezas
del tipo «p». Al contrario de lo que sucedía antes en el
tipo n en un semiconductor con impurezas de tipo p
los portadores que disminuyen son los electrones en
comparación, con los que tenía el semiconductor
puro.

24.  A los semiconductores que contengan ya sea impurezas
donadoras o aceptad se les llama respectivamente de tipo
n o p. En un semiconductor del tipo n, los electrones se
denominan portadores mayoritarios y los huecos
portadores minoritarios.
 En un material de tipo p, los huecos son portadores
mayoritarios, y los electrones portadores minoritarios.
 Veamos ahora, qué ocurre si a un cristal extrínseco le
conectamos una fuente externa de tensión. Al existir
mayor cantidad de portadores (no importa de qué tipo),
circulará por el cristal una corriente mucho mayor que en
el no dopado. El valor de esta corriente dependerá de que
tan contaminado esté el material.

25.  El efecto del hueco sobre la conductividad se muestra
en la siguiente figura. Si un electrón de valencia
adquiere suficiente energía para romper su enlace
covalente y llena el vacio creado por un hueco,
entonces, una vacante o hueco se creara en el enlace
covalente que libero al electrón. Por lo tanto existirá
una transferencia de huecos hacia la izquierda y de
electrones hacia la derecha. La dirección que se
utilizará es la del flujo convencional, la cual se indica
por la dirección del flujo de huecos.

26. Flujo de electrones versus flujo de
huecos.

27.  En el estado intrínseco, el numero de electrones libres
en el Ge o en el Si se debe únicamente a los pocos
electrones en la banda de valencia que adquirieron
energía de fuentes térmicas o luminosas suficiente
para romper el enlace covalente, o a las escasas
impurezas que no se pudieron eliminar.
 En un material tipo n, el electrón se denomina
portador mayoritario y el hueco portador minoritario.
 Para un material tipo p, el numero de huecos
sobrepasa por mucho al numero de electrones por lo
tanto en un material tipo p el hueco es el portador
mayoritario y el electrón es el portador minoritario.

28.  Los materiales tipo p y tipo n representan los
componentes básicos de construcción para los
dispositivos semiconductores.

29.  Dada la especial estructura de los
semiconductores, en su interior pueden darse dos
tipos de corrientes:
◦ 1. Corrientes por arrastre de campo
◦ 2. Corrientes por difusión

30.  Supongamos que disponemos de un
semiconductor con un cierto número de electrones
y de huecos, y que aplicamos en su interior un
campo eléctrico. Veamos que sucede con los
portadores de carga:
 Electrones libres: Obviamente, la fuerza que el
campo eléctrico ejerce sobre los electrones
provocará el movimiento de estos, en sentido
opuesto al del campo eléctrico. De este modo se
originará una corriente eléctrica.

31.  La densidad de la corriente eléctrica (número de
cargas que atraviesan la unidad de superficie en
la unidad de tiempo) dependerá de la fuerza que
actúa (qE), del número de portadores existentes y
de la "facilidad" con que estos se mueven por la
red, es decir:
Je = en(qE)
en donde:
•Je
= Densidad de corriente de electrones
•e
= Movilidad de los electrones en el material
•n = Concentración de electrones
•q = Carga eléctrica
•E = Campo eléctrico aplicado
La movilidad e
es característica del material, y está relacionada con la capacidad de movimiento
del electrón a través de la red cristalina.

32.  Huecos: El campo eléctrico aplicado ejerce
también una fuerza sobre los electrones
asociados a los enlaces covalentes. Esa fuerza
puede provocar que un electrón perteneciente a
un enlace cercano a la posición del hueco salte a
ese espacio. Así, el hueco se desplaza una
posición en el sentido del campo eléctrico. Si este
fenómeno se repite, el hueco continuará
desplazándose. Aunque este movimiento se
produce por los saltos de electrones, podemos
suponer que es el hueco el que se está moviendo
por los enlaces. Se puede apreciar en la siguiente
figura:

33.  La carga neta del hueco vacante es
positiva y por lo tanto, se puede pensar
en el hueco como una carga positiva
moviéndose en la dirección del campo
eléctrico. Obsérvese que los electrones
individuales de enlace que se
involucran en el llenado de los espacios
vacantes por la propagación del hueco,
no muestran movimiento continuo a
gran escala. Cada uno de estos
electrones se mueve únicamente una
vez durante el proceso migratorio. En
contraste, un electrón libre se mueve de
forma continua en la dirección opuesta
al campo eléctrico.

34.  Análogamente al caso de los electrones libres, la
densidad de corriente de huecos viene dada por:
Jh = hp(qE)
en donde:
•Jh
= Densidad de corriente de huecos
•h
= Movilidad de los huecos en el material
•p = Concentración de huecos
•q = Carga eléctrica del hueco: igual y de signo opuesto a la del electrón
•E = Campo eléctrico aplicado

35.  La movilidad h es característica del material, y
está relacionada con la capacidad de movimiento
del hueco a través de los enlaces de la red
cristalina. La "facilidad" de desplazamiento de los
huecos es inferior a la de los electrones.
 Consideremos ahora el caso de un semiconductor
que disponga de huecos y electrones, al que
sometemos a la acción de un campo eléctrico.
Hemos visto cómo los electrones se moverán en
el sentido opuesta a la del campo eléctrico,
mientras que los huecos lo harán en según el
campo.

36.  El resultado es un flujo neto de cargas positivas
en el sentido indicado por el campo, o bien un
flujo neto de cargas negativas en sentido
contrario. En definitiva, la densidad de corriente
global es la suma de las densidades de corriente
de electrones y de huecos:
J = Jh + Je = hp(qE) + en(qE)

37.  El fenómeno de conducción por difusión se puede
explicar con el siguiente ejemplo: si tenemos una
caja con dos compartimentos separados por una
pared común. En un compartimento introducimos
un gas A, y en el otro un gas B.
Figura : Difusión de dos gases a través de
una membrana porosa

38.  Si en un momento determinado se abre una
comunicación entre las dos estancias parte del
gas A atravesará la pared para ocupar el espacio
contiguo, al igual que el B. El resultado final es
que en ambas estancias tendremos la misma
mezcla de gases A+B. La difusión de partículas
es un mecanismo de transporte puramente
estadístico, que lleva partículas "de donde hay
más, a donde hay menos", siempre que no haya
ninguna fuerza externa que sea capaz de frenar
dicho proceso.

39.  Se han desarrollado muchos dispositivos
electrónicos utilizando las propiedades de
transporte de los semiconductores; el uso de
semiconductores en la industria electrónica ha
aumentado de forma importante. Así, veremos
algunas de las más importantes:
◦ Termistores: se basan en la propiedad de que la
conductividad depende de la temperatura para medir
dicha temperatura. También se usan en otros
dispositivos, como en alarmas contra incendio.

40. ◦ Transductores de presión: al aplicar presión a un
semiconductor, los átomos son forzados a acercarse, el
gap de energía se estrecha y la conductividad aumenta.
Midiendo la conductividad, se puede conocer la presión
que actúa sobre ese material.
◦ Rectificadores (dispositivos de unión tipo p-n):
se producen uniendo un semiconductor tipo n con otro
tipo p, formando una unión tipo p-n. Los electrones se
concentran en la unión tipo n y los huecos en la unión p.
El desequilibrio electrónico resultante crea un voltaje a
través de la unión.

41. ◦ Transistores de unión bipolar: un transistor se
puede usar como interruptor o como amplificador. El
transistor de unión bipolar (BJT), se suele utilizar en
unidades de procesamiento central de computadoras por
su rápida respuesta a la conmutación.
◦ Transistores de efecto de campo: utilizado
frecuentemente para almacenar información en la
memoria de los ordenadores. El transistor de efecto de
campo (FET), se comporta de forma algo distinta a los
de unión bipolar.