Semiconductor
Semiconductor
(abreviadamente, SC) es un elemento que se comporta como un conductor o como un 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.
El elemento semiconductor más
usado es el silicio,
el segundo el germanio,
aunque de idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de
los grupos 12 y 13 con los de los grupos 16 y 15 respectivamente (Ga As, P In,
As Ga Al, Te Cd, Se Cd y S Cd). Posteriormente se ha comenzado a emplear
también el azufre.
La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el
silicio una configuración electrónica s²p².
Tipos
de semiconductores
Semiconductores
intrínsecos
Es 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.
El proceso inverso también se produce, de modo
que los electrones pueden caer desde el estado energético
correspondiente en la banda de conducción a un hueco en la banda de valencia,
liberando así energía. Este fenómeno se conoce como "recombinación".
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. Sea "n" la concentración de electrones
(cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas),
se cumple entonces que:
ni
= n = p
donde ni es la concentración
intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del
elemento en cuestión.
Ejemplos de valores de ni a
temperatura ambiente (27 ºC):
ni(Si)
= 1.5 1010cm-3
ni(Ge)
= 2.4 1013cm-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.
Semiconductores extrínsecos
Si a un semiconductor intrínseco, como el
anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir,
elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco,
y se dice que está dopado. Las impurezas deberán formar parte
de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio.
Semiconductor tipo N
Un Semiconductor tipo N se obtiene
llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos
al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de
carga libres (en este caso negativos o electrones).
Cuando se añade el material dopante, aporta sus
electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo
de agente dopante es también conocido como material donante, ya que da
algunos de sus electrones.
El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia
de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce
el dopaje tipo n considérese el caso del silicio
(Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma
un enlace covalente con cada uno de los átomos de
silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como
los del grupo 15 de la tabla periódica —p. ej., fósforo (P), arsénico
(As) o antimonio
(Sb)—, se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio,
entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado.
Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones
libres", el número de electrones en el material supera ampliamente el
número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos
son los portadores minoritarios. A causa de
que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que
"dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre
en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el
material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.
Semiconductor tipo P
Un Semiconductor tipo P se obtiene
llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos
al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres
(en este caso positivos o huecos).
Cuando se añade el material dopante libera los
electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este
agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos
del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.
El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de
huecos. En el caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo 14
de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones de valencia,
tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se
incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese
átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrará en
condición de aceptar un electrón libre.
Así los dopantes crean los "huecos". No
obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo
situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve
equilibrado como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de
aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de
los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que
los electrones son los portadores minoritarios en los
materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo
de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.
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