Bases de la física de los semiconductores

Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza poseen características diferentes, agrupadas. Desde el punto de vista eléctrico, todos los cuerpos simples o compuestos formados por esos elementos se pueden dividir en tres amplias categorías:

Conductores Aislantes Semiconductores

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. Son materiales que ocupan una oposición intermedia entre los aislantes y los conductores. Los

primeros poseen muy pocas cargas móviles y, en consecuencia, presentan una resistencia muy alta al paso de la corriente

(idealmente una resistencia infinita). La resistencia eléctrica que presentan los segundos es muy baja (idealmente cero) debido a

su riqueza en dichas cargas. Los semiconductores suelen ser aislantes a cero grados Kelvin, y permiten el paso de corriente a la

temperatura ambiente. Esta capacidad de conducir corriente puede ser controlada mediante la introducción en el material de

átomos diferentes al del semiconductor, denominados impurezas. Cuando un semiconductor posee impurezas se dice que está

dopado. Dependiendo de la capacidad de conducir corriente, los semiconductores se clasifican en:

INTRÍNSECOS: 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.

EXTRINSECOS: Un semiconductor extrínseco es aquel en el que se han introducido pequeñas cantidades de una impureza con el

objeto de aumentar la conductividad eléctrica del material a la temperatura ambiente: Hay dos tipos

dependiendo de tipo de impureza tengan; SEMICONDUCTOR EXTRINSECO TIPO N: Son los que están

dopados, con elementos pentavalentes,). Que sean elementos pentavalentes, quiere decir que tienen

cinco electrones en la última capa, lo que hace que al formarse la estructura cristalina, un electrón quede

fuera de ningún enlace covalente, quedándose en un nivel superior al de los otros cuatro,

SEMICONDUCTOR EXTRINSECO TIPO P: En este caso son los que están dopados con elementos

trivalentes, El hecho de ser trivalentes, hace que a la hora de formar la estructura cristalina, dejen una

vacante con un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia, pues no existe el cuarto electrón que lo rellenaría.

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. El

elemento semiconductor más usado es el silicio, el segundo el germanio.

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.

Los semiconductores son materiales cuya conductividad varía con la temperatura, pudiendo comportarse como conductores o

como aislantes. Para conseguir esto, se introducen átomos de otros elementos en el semiconductor. Estos átomos se llaman

impurezas y tras su introducción, el material semiconductor presenta una conductividad controlable eléctricamente. Existen dos

tipos de impurezas, las P y las N, que cambian la conductividad del silicio y determinan el tipo de cristal a fabricar. Por tanto, como

hay dos tipos de impurezas habrá dos tipos fundamentales de cristales, cristales de impurezas P y cristales de impurezas tipo N. El

Material tipo “N” es un material con impurezas "Donadoras", sus impurezas son pentavalentes.

Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de

"portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".

Al aplicar una corriente al semiconductor, los electrones libres dentro del semiconductor se

mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al

extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco. Los

electrones libres circulan hacia el extremo izquierdo del material semiconductor o cristal, donde

entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batería. El Material tipo “P” es un el material

con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera

el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres

son los minoritarios. Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda

y los huecos lo hacen hacia la derecha. Los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres

del circuito externo. En el circuito hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del semiconductor

circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito.

En una unión entre un semiconductor P y uno N, a temperatura ambiente, los huecos de la zona P pasan por difusión hacia la zona

N y viceversa. En la zona de la unión, huecos y electrones se recombinan, quedando una

estrecha zona de transición con una distribución de carga debida a la presencia de los

iones de las impurezas y a la ausencia de huecos y electrones. Este movimiento de

portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en la región de la zona P cercana

a la unión: El electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece una carga

negativa, ya que antes de que llegara el electrón la

carga total era nula. Al pasar el hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de

carga positiva en la zona P, con lo que también aparece una carga negativa. El mismo

razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N. En

consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de carga, que es

positiva en la zona N y negativa en la zona P.

Zona P: Semiconductora, con una resistencia Rp. Zona N: Semiconductora, con una resistencia Rn. Zona de agotamiento: No es conductora, puesto que no posee portadores de carga libres. En ella actúa un campo eléctrico, o bien entre los extremos actúa una barrera de potencial.

Al combinarse los átomos de Silicio para formar un sólido, lo hacen formando una estructura ordenada llamada cristal. Esto se debe a los "Enlaces Covalentes", que son las uniones entre átomos que se hacen compartiendo electrones de tal forma que se crea un equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los átomos de Silicio. Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en la órbita de valencia. La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan con cada átomo, gracias a esta característica los enlaces covalentes son de una gran solidez. Los 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados por estar unidos en los átomos. La temperatura hace que los átomos en un cristal de silicio

vibren dentro de él, a mayor temperatura mayor será la vibración. Con lo que un electrón se puede liberar de su órbita, lo que deja un hueco, y ese hueco atraerá otro electrón. A 0 °K, todos los electrones son ligados y a 300 °K o más, aparecen electrones libres. Esta unión de un electrón libre y un hueco se llama "recombinación", y el tiempo entre la creación y desaparición de un electrón libre se denomina "tiempo de vida". Enlace covalente roto: Es cuando tenemos un hueco, esto es una generación de pares electrón libre-hueco. Enlace covalente roto: Es cuando tenemos un hueco, esto es una generación de pares electrón libre-hueco. Según un convenio ampliamente aceptado tomaremos la dirección de la corriente como contraria a la dirección de los electrones libres.

Para determinar el nivel de energía en el que se encuentran los electrones podemos considerar la teoría de bandas. En esta teoría se consideran que los orbitales atómicos de valencia de los N átomos de litio estarán formando enlace metálico se combinan entre sí para dar unos orbitales moleculares pertenecientes a todo el cristal, y con energías muy semejantes entre sí. Se obtendrán tantos orbitales moleculares como orbitales atómicos se combinen la banda formado por los orbitales 2S semi llenos se le denomina banda de valencia y a la banda vacía formada por los orbitales 2P se le llama banda de

conducción. Los metales son conductores porque las bandas de valencia y de conducción se superponen y hace que los electrones se muevan con facilidad de una a otra. En el caso de los semiconductores las bandas de valencia de conducción no se superponen pero la diferencia energética entre ambas es pequeña por lo que una pequeña aportación de energía para que puedan proporcionar electrones a la banda de conducción por tanto conducir corriente eléctrica. En los aislantes, por su parte las bandas de valencia están alejadas de la banda de conducción, esto hace que la banda de conducción sea inaccesible por lo que no pueden conducir corriente eléctrica.

Para determinar el nivel de energía utilizamos el nivel de fermi que nos dice “el nivel de fermi es un término utilizado para describir la parte superior del conjunto de niveles de energía de electrones a la temperatura de cero absoluto”. Los electrones son fermiones y por el principio de exclusión de Pauli no pueden existir en estados de energía idénticas, la energía de fermi nos ayuda a comprender las propiedades físicas eléctricas térmicas de los sólidos, el nivel de fermi nos proporciona información sobre las velocidades de los electrones que participan en la conducción eléctrica ordinaria.