semiconductores

1. TEMA :

2. INTRODUCCION
Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica
inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen
aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento
más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros
semiconductores son el germanio y el selenio.
Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro
electrones, denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una
red cristalina, en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de
valencia con los cuatro átomos vecinos, formando enlaces covalentes. A
temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente
energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de
la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones,
que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial eléctrico de
una pila, se dirigen al polo positivo.

3. SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
En 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 1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y el germanio
respectivamente.

4. 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 constante. 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 (27ºc):
ni(Si) = 1.5 1010cm-3
ni(Ge) = 1.73 1013cm-3

6. DENSIDAD DE ESTADOS
DEFINICIÓN
La densidad de estados es el número de estados electrónicos posibles por
unidad de volumen y por unidad de energía.
En un metal (los electrones son libres):

7. Puede considerarse como una función continua en E
Está expresión también será válida para un semiconductor
cristalino (electrones quasi-libres, ligados a un potencial periódico)
Para adaptarla, hemos de introducir EC, EV y m*

8. FUNCIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE FERMI-DIRAC
Los electrones son fermiones, i. e., partículas que cumplen
el principio de exclusión de Pauli
Así, vendrán gobernados por la estadística de Fermi:
f(E) es la probabilidad que un estado de
energía E esté ocupado, EF es el nivel de
Fermi, k es la constante de Boltzmann y T es
la temperatura absoluta.

9. DENSIDAD DE PORTADORES
Densidad efectiva de estados de la banda de conducción
Densidad efectiva de estados de la banda de valencia

10. SEMICONDUCTORES DOPADOS
Existen dos clase de semiconductores dopados: semiconductores N y
semiconductores P.
Un semiconductor N se obtiene añadiendo un pequeño número de átomos
pentavalentes (con cinco electrones en su última capa) a un semiconductor
intrínseco. Estos átomos pueden ser de P, As o Sb. De los cinco electrones,
cuatro realizan enlaces covalentes con los átomos del semiconductor intrínseco
y el otro será libre. A temperatura ambiente los electrones libres de un
semiconductor N provienen de los electrones sobrantes de las impurezas y de
los electrones térmicos (o liberados por energía térmica). Así pues, un
semiconductor tipo N posee más electrones libres que el correspondiente
semiconductor intrínseco y por tanto la conductividad será mayor. También el
número de electrones libres es mayor que el de huecos. La corriente eléctrica
en el semiconductor N es también debida a electrones y huecos. Los electrones
son portadores mayoritarios y los huecos son portadores minoritarios.

12. Un semiconductor tipo P es el resultado de añadir un pequeño número de
átomos trivalentes (con tres electrones en la última capa) a un semiconductor
intrínseco. Estos tres electrones formaran enlaces covalentes con los átomos
del semiconductor intrínseco. Queda por lo tanto un electrón del
semiconductor intrínseco sin emparejar para formar el enlace covalente. Esto
es, habrá un hueco donde cabría un electrón.
Los átomos que se añaden pueden ser de Al, B o Bi.
En un semiconductor P existen, pues, huecos debidos a la falta de electrones
para formar enlaces covalentes, electrones libres térmicos y sus
correspondientes huecos. El número de huecos será por lo tanto mayor en un
semiconductor dopado P que en el correspondientes semiconductor intrínseco.
Al conectar un generador externo, los huecos se moverán hacia el polo
negativo del generador y los electrones libres hacia el polo positivo. Los huecos
serán los portadores mayoritarios y los electrones térmicos los portadores
minoritarios.

14. UNIÓN PN: EL DIODO. APLICACIONES
Cuando se unen dos semiconductores dopados, P y N, aparece un fenómeno
interesante: los electrones libres del semiconductor N que están cerca de la
unión saltan a los huecos del semiconductor P para completar los enlaces
covalentes que faltaban. Por cada electrón que salta de N a P aparece una
carga negativa en la zona P (la carga del electrón que ha saltado) y aparece una
carga positiva en N (la del núcleo del átomo al que pertenecía el electrón
fugado). Al cabo de un cierto tiempo la zona P, cerca de la unión, se queda
cargada negativamente y la zona N cargada positivamente. Estas cargas
producen un campo eléctrico dirigido de N a P el cual se opone a que pasen
más electrones de N a P. Los electrones que han conseguido saltar a P se
mantienen cerca de la unión ya que son atraidos por los núcleos positivos de la
zona N.

15. La unión de los dos semiconductores P y N se denomina diodo. Si se conecta un
generador de continua a un diodo, ocurren fenómenos que tienen gran aplicación. La
conexión de un generador de continua a un diodo se denomina polarización del
diodo. La polarización de un diodo puede ser directa o inversa y el comportamiento
del diodo depende de esta polarización.

16. BIBLIOGRAFÍA
• http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor
• http://www.etitudela.com/Electrotecnia/downloads/introduccion.pdf
• http://www.uv.es/~navasqui/Tecnologia/Tema3.pdf