Este documento explica los conceptos básicos de los semiconductores. Define un semiconductor como un material que puede comportarse como un conductor o aislante dependiendo de factores como la temperatura o campo eléctrico. Explica que los semiconductores tienen 4 electrones de valencia y da ejemplos como el silicio y germanio. También describe los conceptos de semiconductor intrínseco y extrínseco dopado y cómo afecta la adición de impurezas trivalentes o pentavalentes a la conductividad.

2.  Un 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. Los elementos químicos semiconductores de la tabla
periódica se indican en la tabla adjunta.
 Un semiconductor es un elemento con valencia 4, lo que quiere
decir que un átomo aislado de semiconductor tiene 4 electrones
en su órbita exterior o de valencia. El número de electrones en la
órbita de valencia es clave para la conductividad eléctrica. Los
conductores poseen un electrón de valencia, los semiconductores
tienen 4 y los aislantes 8 electrones de valencia.

3.  El germanio es un ejemplo de semiconductor. En el centro se
halla un núcleo con 32 protones. En este caso los electrones
se distribuyen como sigue: 2 electrones en la primera
órbita, 8 en la segunda y 18 en la tercera. Los últimos 4
electrones se localizan en la órbita exterior o de valencia.

4.  El material semiconductor más ampliamente utilizado es el
silicio. Un átomo aislado de silicio tiene 14 protones y 14
electrones. Como puede apreciarse en la figura de la
izquierda, la primera órbita contiene 2 electrones, y la
segunda contiene 8. Los cuatro electrones restantes se hallan
en la órbita exterior.

5.  Un semiconductor intrínseco es un semiconductor puro. Un
cristal de silicio es un semiconductor intrínseco si cada átomo
del cristal es un átomo de silicio. A temperatura ambiente, un
cristal de silicio se comporta más o menos como un
aislante, ya que tiene solamente unos cuantos electrones
libres y sus huecos producidos por excitación térmica.

6.  Cuando el silicio se encuentra en estado puro o más usualmente
que es un semiconductor intrínseco. Una barra de silicio puro está
formada por un conjunto de átomos en lazados unos con otros
según una determinada estructura geométrica que se conoce
como red cristalina
 Si en estas condiciones inyectamos energía desde el
exterior, algunos de esos electrones de los órbitas externas
dejarán de estar enlazados y podrán moverse. Lógicamente si un
electrón se desprende del átomo, este ya no está
completo, decimos que está cargado positivamente, pues tiene
una carga negativa menos, o que ha aparecido un hueco.
Asociamos entonces el hueco a una carga positiva o al sitio que
ocupaba el electrón.

7.  Un cristal de silicio 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, absorbiendo la
energía necesaria, saltar a la banda de conducción,
dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia
(1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente son de 1,1 y 0,72 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.

8.  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.
 Si se somete el cristal a una diferencia de
tensión, 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 en la dirección contraria al campo
eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy
inferior a la de la banda de conducción.

10.  Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, le
añadimos un pequeño porcentaje de impurezas, es decir,
elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se
denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Las
impurezas pueden o no sustituir al correspondiente átomo
del semiconductor intrínseco en su estructura cristalina
original.

11.  Es el que se ha dopado con elementos pentavalentes (As, P o
Sb).
 Al tener éstos elementos 5 electrones en la última
capa, resultará que al formarse, como antes, la estructura
cristalina, el quinto electrón no estará ligado en ningún
enlace covalente, encontrándose, aún sin estar libre, en un
nivel energético superior a los cuatro restantes.
 Si como antes, consideramos el efecto de la
temperatura, observaremos que ahora, además de la
formación de pares e-h, se liberarán también los electrones
no enlazados, ya que la energía necesaria para liberar el
electrón excedente es del orden de la centésima parte de la
correspondiente a los electrones de los enlaces covalentes
(en torno a 0,01 eV).

13.  Así, en el semiconductor aparecerá una mayor cantidad de
electrones que de huecos; por ello se dice que los electrones son
los portadores mayoritarios de la energía eléctrica y puesto que
este excedente de electrones procede de las impurezas
pentavalentes, a éstas se las llama donadoras.
 Aún siendo mayor n que p, la ley de masas se sigue cumpliendo,
dado que aunque aparentemente sólo se aumente el número de
electrones libres, al hacerlo, se incrementa la probabilidad de
recombinación, lo que resulta en un disminución del número de
huecos p, es decir:
 Por lo que respecta a la conductividad del material, ésta aumenta
enormemente, así, por ejemplo, introduciendo sólo un átomo
donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es
24100 veces mayor que la del silicio puro.

14.  Es el que se ha dopado con elementos trivalentes (Al, B, Ga o
In).
 En este caso, las impurezas aportan una vacante, por lo que
se las denomina aceptoras (de electrones, se entiende).
Ahora bien, el espacio vacante no es un hueco como el
formado antes con el salto de un electrón, si no que tiene un
nivel energético ligeramente superior al de la banda de
valencia (del orden de 0,01 eV).

16.  En este caso, los electrones saltarán a las vacantes con
facilidad dejando huecos en la banda de valencia en mayor
número que electrones en la banda de conducción, de modo
que ahora son los huecos los portadores mayoritarios.
 Al igual que en el caso anterior, el incremento del número de
huecos se ve compensado en cierta medida por la mayor
probabilidad de recombinación, de modo que la ley de masas
también se cumple en este caso:

17. Referencias:
 http://www.monografias.com/trabajos6/fise/fise.shtml
 http://enciclopedia.us.es/index.php/Semicon
 dhttp://es.wikipedia.org/wiki/Germanio
 http://enciclopedia.us.es/index.php/Semiconductor#Semiconductores_intr.C3.AD
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