semiconductores
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SEMICONDUCTORES
• 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.
Elemento Grupos
Electrones en
la última
capa
Cd 12 2 e-
Al, Ga, B, In 13 3 e-
Si, C, Ge 14 4 e-
P, As, Sb 15 5 e-
Se, Te, (S) 16 6 e-
TIPOS DE SEMICONDUCTORES
• 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. Las energías requeridas, a
temperatura ambiente, son de 1,1 eV y 0,7 eV para el silicio y el germanio
respectivamente.
SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
SEMICONDUCTORES TIPO N
• Como se aprecia el átomo de Sb no solo cumple
con los cuatro enlaces covalentes, sino que aún le
sobra un electrón, que tiende a salirse de su órbita
para que quede estable el átomo de Sb. Por cada
átomo de impurezas añadido aparece un electrón
libre en la estructura. Aunque se añadan impurezas
en relación de uno a un millón, en la estructura del
silicio además de los 1010 electrones y 1010 huecos
libres que existen por cm3, a la temperatura
ambiente, hay ahora que sumar una cantidad de
electrones libres equivalente a la de átomos de
impurezas. En estas condiciones el Si con
impurezas de Sb alcanza 1016 electrones libres y
1010 huecos libres por cm3, siendo en consecuencia
la clasificación de SEMICONDUCTOR
EXTRÍNSECO TIPO N.
SEMICONDUCTOR TIPO N
• Tiene 5e.
• Es potencialmente más negativo.
• No se recombina con los demás
átomos.
• Se añade cierto tipo de átomos.
• Se aumenta el número de portadores
de carga libre.
• Dopaje en N: Producir abundancia de
electrones portadores en el material.
• Algunos ejemplo: Fósforo, Arsénico,
Antimonio.
SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
• Como se puede observar en la induración ,
en el caso de los semiconductores el
espacio correspondiente a la banda
prohibida es mucho mas 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 1eV 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 0,785eV.
En la figura se presenta la estructura cristalina del Silicio (Si) dopado con
Aluminio (Al). Por cada átomo de impurezas trivalente que se añade al
semiconductor intrínseco aparece en la estructura un hueco, o lo que es lo
mismo, la falta de un electrón.
Añadiendo un átomo de impurezas trivalente por cada millón de átomos de
semiconductor existen: 1016 huecos libres y 1010 electrones libres por cm3, a
la temperatura ambiente. Como en este semiconductor hay mayor numero de
cargas positivas o huecos, se les denomina a estos, portadores mayoritarios;
mientras que los electrones libres, únicamente propiciados por los efectos de
la agitación térmica son los portadores minoritarios. Por esta misma razón el
semiconductor extrínseco así formado recibe el nombre de
SEMICONDUCTOR EXTRINSECO TIPO P, siendo neutro el conjunto de la
estructura, al igual que sucedía con el TIPO N.
SEMICONDUCTORES TIPO P
SEMICONDUCTOR TIPO P
• Cuando al dopar introducimos:
• Tipo P = átomo de 3e átomo de 4e
• Exceso de carga positiva.
• Se recombinan con el exceso de átomos.
• Nos quedan un hueco libre que nos produce
atracción.
• Los huecos colaboran en la circulación de la
corriente
UNIÓN DEL SEMICONDUCTOR P CON N
• Al colocar parte del semiconductor TIPO P
junto a otra parte del semiconductor TIPO N,
debido a la ley de difusión los electrones de
la zona N, donde hay alta concentración de
estos, tienden a dirigirse a la zona P, que a
penas los tiene, sucediendo lo contrario con
los huecos, que tratan de dirigirse de la zona
P, donde hay alta concentración de huecos,
a la zona N. Eso ocasiona su encuentro y
neutralización en la zona de unión. Al
encontrarse un electrón con un hueco
desaparece el electrón libre, que pasa
ocupar el lugar del hueco, y por lo tanto
también desaparece este último,
formándose en dicha zona de la unión una
estructura estable y neutra.
DOPAJE TIPO P
• LOS DE TIPO P SON DOPADOS CON OTROS ELEMENTOS
PARA QUE LES FALTEN ELECTRONES, LO QUE
NORMALMENTE SE DENOMINAN HUECOS EN ELECTRÓNICA.
El ejemplo de dopaje de Silicio por el
Boro (P dopaje). En el caso del boro le
falta un electrón y, por tanto, es
donado un hueco de electrón
DOPAJE TIPO N
• LOS DE TIPO N SE DOPAN PARA TENER ELECTRONES DE MÁS.
El siguiente es un ejemplo
de dopaje de Silicio por el
Fósforo (dopaje N). En el
caso del Fósforo, se dona
un electrón.
LOS CRISTALES DE SEMICONDUCTORES
• Están formados por átomos donde los vecinos más cercanos están enlazados de
manera covalente (mas o menos polar).
• 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 adyacentes de tal
forma que se crea un equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los átomos de Silicio.
CRISTAL SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO
• A simple vista es imposible que un
semiconductor permita el movimiento de
electrones a través de sus bandas de
energía Idealmente, a T= 0 K, el
semiconductor es un aislante porque
todos los e- están formando enlaces.
• Pero al crecer la temperatura, algún
enlace covalente se puede romper y
quedar libre un e- para moverse en la
estructura cristalina.
• El hecho de liberarse un e- deja un
“hueco” (partícula ficticia positiva) en la
estructura cristalina. De esta forma,
dentro del semiconductor encontramos
el electrón libre (e-), pero también hay
un segundo tipo de portador: el hueco
(h+)
C, Si, Ge
Grupo IV de la tabla periódica
1s2
2s2 2p2
3s2 3p2 3d10
4s2 4p2
Faltan 4 electrones en la última capa
SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Y 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 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".
DOPADO DE SEMICONDUCTORES
• 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.
• Impurezas pentavalentes Los átomos de impurezas con 5 electrones de
valencia, producen semiconductores de tipo n, por la contribución de
electrones extras.
BANDAS EN LOS SEMICONDUCTORES DOPADOS
• La aplicación de la teoría de banda en los semiconductores de tipo N y tipo P, muestra
que las impurezas añaden niveles extras de energía. En el material de tipo n, hay niveles
de energía de electrones 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 extras en la banda prohibida, permiten la excitación de los electrones de la
banda de valencia, dejando huecos móviles en la banda de valencia.
ESTRUCTURA DE BANDADE TIPO N
• La adición de impurezas donantes contribuye a
subir los niveles de energía de los electrones
en la banda prohibida de los semiconductores,
de modo que pueden ser excitados fácilmente
hacia la banda de conducción. Esto desplaza
el nivel de Fermi efectivo, a un punto a medio
camino entre los niveles de los electrones
donantes y la banda de conducción.
• Con la energía proporcionada por un voltaje
aplicado, los electrones pueden ser elevados
a la banda de conducción, y moverse a través
del material. Los electrones se dice que son
los "portadores mayoritarios" del flujo de
corriente en un semiconductor de tipo n.
ESTRUCTURA DE BANDA EN EL TIPO P
• La adición de impurezas aceptoras
contribuye a bajar los niveles de los
huecos en la banda prohibida de los
semiconductores, de modo que los
electrones pueden ser fácilmente
excitados desde la banda de valencia
hasta estos niveles, dejando huecos
móviles en la banda de valencia. Esto
desplaza el nivel de Fermi efectivo, a un
punto a medio camino entre los niveles
aceptores y la banda de valencia.
• Con la energía proporcionada por un
voltaje aplicado, los electrones pueden ser
elevados desde la banda de valencia
hasta los huecos en la banda prohibida.
Dado que los electrones pueden ser
intercambiados entre los huecos, se dice
que son móviles. Los huecos se dice que
son los "portadores mayoritarios" para el
flujo de corriente en un semiconductor de
tipo p.
FUENTES DE INFORMACIÓN
Electrónicas:
http://www.uv.es/candid/docencia/ed_tema-02.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_(semiconductores)
http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/dopado.asp
http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_1.htm
http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/default.asp
http://www.youtube.com/watch?v=IMiuD-PNIts&feature=related
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/dsem.html