Universidad Privada Telesup Alumno : Vega Ocampo Walter Alexis

Curso: Física Electrónica

Tema:Semiconductores

Agosto 2013

Que es un semiconductor

  

 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

 

 El elemento semiconductor más usado es el silicio, el segundo el germanio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos 12 y 13 con los de los grupos 16 y 15 respectivamente (GaAs, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el azufre.

Semiconductor Intrínseco:    Intrínseco indica un material semiconductor extremadamente puro contiene una cantidad insignificante de átomos de impurezas. En él se cumple: n =·p = n ¡ n! varía exponencialmente con la temperatura A temperatura ambiente se comporta como un aislante porque solo tiene unos pocos

electrones libres y huecos debidos a la energía térmica.

  En un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la

corriente total resultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares, por lo tanto hay tantos electrones libres como huecos con lo que la corriente total es cero.

  La tensión aplicada en la figura forzará a los electrones libres a circular hacia la derecha

(del terminal negativo de la pila al positivo) y a los huecos hacia la izquierda.

 

  Los elementos semiconductores por excelencia son el silicio y el germanio, aunque

existen otros elementos como el estaño, y compuestos como el arseniuro de galio que se comportan como tales.

Tomemos como ejemplo el silicio en su modelo bidimensional:

Vemos como cada átomo de silicio se rodea de sus 4 vecinos próximos con lo que comparte sus electrones de valencia.

A 0ºK todos los electrones hacen su papel de enlace y tienen energías correspondientes a la banda de valencia. Esta banda estará completa, mientras que la de conducción permanecerá vacía. Es cuando hablamos de que el conductor es un aislante perfecto.

 Ahora bien, si aumentamos la temperatura, aumentará por consiguiente la

energía cinética de vibración de los átomos de la red, y algunos electrones de valencia pueden absorber de los átomos vecinos la energía suficiente para liberarse del enlace y moverse a través del cristal como electrones libres. Su energía pertenecerá a la banda de conducción, y cuanto más elevada sea la temperatura más electrones de conducción habrá, aunque ya a temperatura ambiente podemos decir que el semiconductor actúa como conductor.

Si un electrón de valencia se convierte en electrón de conducción deja una posición vacante, y si aplicamos un campo eléctrico al semiconductor, este “hueco” puede ser ocupado por otro electrón de valencia, que deja a su vez otro hueco. Este efecto es el de una carga +e moviéndose en dirección del campo eléctrico. A este proceso le llamamos ‘generación térmica de pares electrón-hueco’.

Paralelamente a este proceso se da el de ‘recombinación’.Algunos electrones de la banda de conducción pueden perder energía(emitiéndola en forma de fotones, por ejemplo), y pasar a la de valencia ocupando un nivel energético que estaba libre, o sea , “ recombinándose” con un hueco. A temperatura constante, se tendrá un equilibrio entre estos dos procesos, con el mismo número de electrones en la banda de conducción que el de huecos en la de valencia.

Este fenómeno de la conducción asociada a la formación de pares en el semiconductor se denomina conducción intrínseca. Se cumple que

p = n = ni --> Donde p y n son las concentraciones de huecos y electrones respectivamente, y ni es la concentración de portadores intrínsecos.

Corriente de Semiconductor En un semiconductor intrínseco, ambos electrones y huecos contribuyen al flujo de

corriente.

La corriente que fluirá en un semiconductor intrínseco consiste en corriente de ambos electrones y huecos. Es decir, los electrones que han sido liberados de sus posiciones en la red dentro de la banda de conducción, se pueden mover a través del material.   Además, otros electrones pueden saltar entre las posiciones de la red para llenar las vacantes dejadas por los electrones liberados. Este mecanismo adicional se llama conducción de huecos, porque es como si los huecos estuvieran emigrando a través del material en dirección opuesta al movimiento de electrones libres.

El flujo de corriente en un semiconductor intrínseco está influenciado por la densidad de estados de energía la cual a su vez, influencia la densidad de electrones en la banda de conducción. Esta corriente es dependiente altamente de la temperatura.

  Electrones y Huecos: En un semiconductor intrínseco como el silicio a temperatura por encima del cero

absoluto, habrá algunos electrones que serán excitados, cruzarán la banda prohibida y entrando en la banda de conducción, podrán producir corriente. Cuando el electrón del silicio puro atraviesa la banda prohibida, deja tras de sí un puesto vacante de electrones o "hueco" en la estructura cristalina del silicio normal. Bajo la influencia de una tensión externa, tanto el electrón como el hueco se pueden mover a través del material. En un semiconductor tipo n, el dopante contribuye con electrones extras, aumentando drásticamente la conductividad. En un semiconductor tipo p, el dopante produce vacantes adicionales o huecos, que también aumentan la conductividad. Sin embargo, el comportamiento de la unión p-n es la clave para la enorme variedad de dispositivos electrónicos de estado sólido.

Semiconductores dopados:   Para aumentar la conductividad (que sea más conductor) de un SC (Semiconductor), se le suele dopar

o añadir átomos de impurezas a un SC intrínseco, un SC dopado es un SC extrínseco. 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 posiblidades:

Aplicar una tensión de valor superior Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exterior

La 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".   La adición de un pequeño porcentaje de átomos extraños en la red cristalina regular de silicio o

germanio, produce unos cambios espectaculares en sus propiedades eléctricas, dando lugar a los semiconductores de tipo n y tipo p.

Semiconductor Tipo N

La adición de impurezas pentavalentes como el antimonio, arséniso, o fósforo, aportan electrones libres, aumentando considerablemente la conductividad del semiconductor intrínseco. El fósforo se puede añadir por difusión del gas fosfina (PH3).

Semiconductor Tipo P

La adición de impurezas trivalentes tales como boro, aluminio, o galio a un semiconductor intrínseco, crean unas deficiencias de electrones de valencia, llamadas "huecos". Lo normal es usar el gas diborano B2H6, para difundir el boro en el material de silicio.

Bandas en Semiconductores Dopados

La aplicación de la teoría de bandas a los semiconductores

de tipo n y tipo p

muestra que los niveles adicionales se han añadido por las impurezas. En el

material de tipo n hay electrones con niveles de energía cerca de la parte

superior de la banda prohibida, de modo que pueden ser fácilmente excitados

hacia la banda de conducción. En el material de tipo p, los huecos adicionales

en la banda prohibida, permiten la excitación de los electrones de la banda de

valencia, dejando huecos móviles en la banda de valencia.