SEMICONDUCTORESClase 1 22-05-2013

SEMICONDUCTORES

Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza poseen características diferentes, agrupadas todas en la denominada “Tabla de Elementos Químicos”. Desde el punto de vista eléctrico, todos los cuerpos simples o compuestos formados por estos elementos se pueden dividir en tres amplias categorías:

- Conductores

- Aislantes

-Semiconductores

INTRODUCCIÓN. MATERIALES CONDUCTORES

A diferencia de los cuerpos metálicos buenos conductores de la corriente eléctrica, existen otros como el aire, la porcelana, el cristal, la mica, la ebonita, las resinas sintéticas, los plásticos, etc., que ofrecen una alta resistencia a su paso. Esos materiales se conocen como aislantes o dieléctricos.

. MATERIALES AISLANTES O DIELECTRICOS

Los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. En la foto izquierda. se pueden observar diferentes materiales aislantes de plástico utilizados comúnmente en las cajas de. conexión y en otros elementos propios de las instalaciones eléctricas domésticas de baja tensión, así. como el PVC (PolyVinyl Chloride – Policloruro de Vinilo) empleado como revestimiento en los cables. conductores. En la foto de la derecha aparece, señalado con una flecha roja, un aislante de vidrio. utilizado en las torres externas de distribución eléctrica de alta tensión.

Al contrario de lo que ocurre con los átomos de los metales, que ceden sus electrones con facilidad y conducen bien la corriente eléctrica, los de los elementos aislantes poseen entre cinco y siete electrones fuertemente ligados a su última órbita, lo que les impide cederlos. Esa característica los convierte en malos conductores de la electricidad, o no la conducen en absoluto.

En los materiales aislantes, la banda de conducción se encuentra prácticamente vacía de portadores de cargas eléctricas o electrones, mientras que la banda de valencia está completamente llena de estos.

Como ya conocemos, en medio de esas dos bandas se encuentra la “banda prohibida”, cuya misión es impedir que los electrones de valencia, situados en la última órbita del átomo, se exciten y salten a la banda de conducción.La energía propia de los electrones de valencia equivale a unos 0,03 eV (electronvolt) aproximadamente, cifra muy por debajo de los 6 a 10 eV de energía de salto de banda (Eg) que requerirían poseer los electrones para atravesar el ancho de la banda prohibida en los materiales aislantes.

Los primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron pequeños detectores diodos empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocían como “de galena”.

Ese nombre lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra de galena o sulfuro de plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado para sintonizar las emisoras de radio.

La sintonización se obtenía moviendo una aguja que tenía dispuesta sobre la superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conocía que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas.

MATERIALES SEMICONDUCTORES

En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el material se exponía a una fuente de luz.

Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares.

Posteriormente, en 1947 William Shockley, investigador también de los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica moderna.

MATERIALES SEMICONDUCTORES

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.

MATERIALES SEMICONDUCTORES

Lugar que ocupan en la Tabla Periódica los trece elementos con. características de semiconductores, identificados con su correspondiente. número atómico y grupo al que pertenecen. Los que aparecen con fondo.

gris corresponden a “metales”, los de fondo verde a “metaloides” y los de. fondo azul a “no metales”.

Esos elementos semiconductores que aparecen dispuestos en la Tabla Periódica constituyen la materia prima principal, en especial el silicio (Si), para fabricar diodos detectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados y microprocesadores.

Los átomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco electrones en su última órbita, de acuerdo con el elemento específico al que pertenecen. No obstante, los elementos más utilizados por la industria electrónica, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), poseen solamente cuatro electrones en su última órbita. En este caso, el equilibrio eléctrico que proporciona la estructura molecular cristalina característica de esos átomos en estado puro no les permite ceder, ni captar electrones. Normalmente los átomos de los elementos semiconductores se unen formando enlaces covalentes y no permiten que la corriente eléctrica fluya a través de sus cuerpos cuando se les aplica una diferencia de potencial o corriente eléctrica. En esas condiciones, al no presentar conductividad eléctrica alguna, se comportan de forma similar a un material aislante.

TABLA DE ELEMENTOS SEMICONDUCTORES

Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor

La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna.

En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente también aumenta, disminuyendo la conductividad.

Todo lo contrario ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad también aumenta.

En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los siguientes métodos:

- Elevación de su temperatura

- Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina

- Incrementando la iluminación.

Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente forma:

- Intrínsecos

- Extrínsecos

Se dice que un semiconductor es “intrínseco” 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.

Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.

SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS"

SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS"

Como se puede observar en la ilustración, en el caso de los semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida es mucho más estrecho en comparación con los materiales aislantes. La energía de salto de banda (Eg) requerida por los electrones para saltar de la banda de valencia a la de conducción es de 1 eV aproximadamente. En los semiconductores de silicio (Si), la energía de salto de banda requerida por los electrones es de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.

Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la ilustración, los átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.

• Cristales sin impurezas ni defectos en la red (idealmente, claro)• Conforme la temperatura aumenta, hay generación de pares electrón-hueco• Obviamente, n = p = ni

• ni varía exponencialmente con la temperatura

Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o de germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas".

Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última órbita [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corriente eléctrica.

En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el uso de la industria electrónica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente relativamente barato de obtener. La materia prima empleada para fabricar cristales semiconductores de silicio es la arena, uno de los materiales más abundantes en la naturaleza. En su forma industrial primaria el cristal de silicio tiene la forma de una oblea de muy poco grosor (entre 0,20 y 0,25 mm aproximadamente), pulida como un espejo.

SEMICONDUCTORES "EXTRÍNSECOS"

A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea (wafer) o cristal semiconductor de. silicio pulida con brillo de espejo, destinada a la fabricación de transistores y circuitos. integrados. A la derecha aparece la cuarta parte de la oblea conteniendo cientos de. minúsculos dados o “chips”, que se pueden obtener de cada una. Esos chips son los. que después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se convertirán en. transistores o circuitos integrados. Una vez que los chips se han convertido en. transistores o circuitos integrados serán desprendidos de la oblea y colocados dentro. de una cápsula protectora con sus correspondientes conectores externos.

El segundo elemento también utilizado como semiconductor, pero en menor proporción que el silicio, es el cristal de germanio (Ge).

Durante mucho tiempo se empleó también el selenio (S) para fabricar diodos semiconductores en forma de placas rectangulares, que combinadas y montadas en una especie de eje se empleaban para rectificar la corriente alterna y convertirla en directa. Hoy en día, además del silicio y el germanio, se emplean también combinaciones de otros elementos semiconductores presentes en la Tabla Periódica.

Placa individual de 2 x 2 cm de área, correspondiente a un antiguo diodo de selenio.

Lente (señalada con la flecha) detrás de la cual se encuentra instalado un diodo láser de arseniuro de galio (GaAs) empleado para leer datos de texto, presentaciones multimedia o música grabada en un CD. En esta ilustración el. CD se ha sustituido por un disco similar transparente de plástico común.En el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en estado puro, es decir, como elementos intrínsecos, los electrones de su última órbita tienden a unirse formando "enlaces covalentes", para adoptar una estructura cristalina. Los átomos de cualquier elemento, independientemente de la cantidad de electrones que contengan en su última órbita, tratan siempre de completarla con un máximo de ocho, ya sea donándolos o aceptándolos, según el número de valencia que le corresponda a cada átomo en específico.

Con respecto a los elementos semiconductores, que poseen sólo cuatro electrones en su última órbita, sus átomos tienden a agruparse formando enlaces covalentes, compartiendo entre sí los cuatro electrones que cada uno posee, según la tendencia de completar ocho en su órbita externa. Al agruparse de esa forma para crear un cuerpo sólido, los átomos del elemento semiconductor adquieren una estructura cristalina, semejante a una celosía. En su estado puro, como ya se mencionó anteriormente, esa estructura no conduce la electricidad, por lo que esos cuerpos semiconductores se comportan como aislantes.

Entre esas combinaciones se encuentra la formada por el galio (Ga) y el arsénico (As) utilizada para obtener arseniuro de galio (GaAs), material destinado a la fabricación de diodos láser empleados como dispositivos de lectura en CDs de audio.

En el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en estado puro, es decir, como elementos intrínsecos, los electrones de su última órbita tienden a unirse formando "enlaces covalentes", para adoptar una estructura cristalina. Los átomos de cualquier elemento, independientemente de la cantidad de electrones que contengan en su última órbita, tratan siempre de completarla con un máximo de ocho, ya sea donándolos o aceptándolos, según el número de valencia que le corresponda a cada átomo en específico.

Con respecto a los elementos semiconductores, que poseen sólo cuatro electrones en su última órbita, sus átomos tienden a agruparse formando enlaces covalentes, compartiendo entre sí los cuatro electrones que cada uno posee, según la tendencia de completar ocho en su órbita externa. Al agruparse de esa forma para crear un cuerpo sólido, los átomos del elemento semiconductor adquieren una estructura cristalina, semejante a una celosía. En su estado puro, como ya se mencionó anteriormente, esa estructura no conduce la electricidad, por lo que esos cuerpos semiconductores se comportan como aislantes.

SEMICONDUCTOR DOPADO

Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de la pila intentará atraer los electrones y el negativo los huecos favoreciendo así la aparición de una corriente a través del circuitoSentido del movimiento de un electrón y un hueco en el silicio

SEMICONDUCTOR DOPADO

Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos los electrones que podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar el valor de dicha corriente tenemos dos posibilidades: - Aplicar una tensión de valor superior - Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exteriorLa primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el valor de la tensión aplicada, la corriente que aparece no es de suficiente valor. La solución elegida es la segunda.En este segundo caso se dice que el semiconductor está "dopado".El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores. - Semiconductor tipo P - Semiconductor tipo N

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 .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.

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 (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.