SemiconductoresFísica Electrónica

Juan Villacorta

Semiconductores

• Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor, considerados en orden creciente.

• Los semiconductores más conocidos son el silicio (Si) y el germanio (Ge) y el Galio.

• Debido a que el comportamiento del silicioes más estable que el germanio frente atodas las perturbaciones exteriores quepueden variar su respuesta normal, será elprimero (Si) el elemento semiconductormás utilizado en la fabricación de loscomponentes electrónicos de estado solido.A él nos referiremos normalmente,teniendo en cuenta que el proceso delgermanio es absolutamente similar.

Principio Básico de los Semiconductores

• Los cristales de semiconductores están formados por átomos donde losvecinos más cercanos están enlazados de manera covalente (mas o menospolar). Los materiales semiconductores más importantes cristalizan en elsistema cúbico con red centrada en las caras:

• Estos SC tienen en su ultimo orbital 4 electrones de valencia (que están“atrapados en los enlaces”). Sin embargo, el electrón puede abandonar elenlace y pasar a ser electrón libre (móvil en el cristal) y formar parte deuna corriente si recibe energía: Térmica (ejemplos: 0 K, 300 K), Óptica,Eléctrica

Clasificación de los Semiconductores

Semiconductores

Intrínsecos

Semiconductores

Extrínsecos

Semiconductores Intrínsecos

Intrínseco indica un material semiconductor extremadamente puro que contiene una cantidadinsignificante de átomos de impurezas. El más característico de los semiconductores es el silicio.

El átomo siempre tendrá la tendencia a estar en su estado normal, con todas sus cargas, por lo tantointentará atraer un electrón de otro átomo para rellenar el hueco que tiene. Toda inyección deenergía exterior produce pues un proceso continuo que podemos concretar en dos puntos: Electronesque se quedan libres y se desplazan de un átomo a otro a lo largo de la barra del materialsemiconductor de silicio y aparición y desaparición de huecos en los diversos átomos delsemiconductor.

Cuando el silicio se encuentra formado por átomos del tipo de lafigura, se dice que se encuentra en estado puro o más usualmenteque es un semiconductor intrínseco

Una barra de silicio puro está formada por un conjunto de átomos enlazados unos con otros según una determinada estructurageométrica que se conoce como red cristalina

Si en estas condiciones inyectamos energía desde el exterior, algunosde esos electrones de los órbitas externas dejarán de estar enlazadosy podrán moverse. Lógicamente si un electrón se desprende delátomo, este ya no está completo, decimos que está cargadopositivamente, pues tiene una carga negativa menos, o que haaparecido un hueco. Asociamos entonces el hueco a una cargapositiva o al sitio que ocupaba el electrón.

Semiconductores Extrínsecos o Dopados

Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de la pila intentará atraer los electrones y elnegativo los huecos favoreciendo así la aparición de una corriente a través del circuito

Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos los electrones quepodemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar el valor de dicha corrientetenemos dos posibilidades: Aplicar una tensión de valor superior o introducir previamente en elsemiconductor electrones o huecos desde el exterior.La primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el valor de la tensión aplicada, lacorriente que aparece no es de suficiente valor. La solución elegida es la segunda. En este segundocaso 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.

Clasificación de Semiconductores

Dopados

Semiconductor tipo n Semiconductor tipo p

Semiconductor tipo n

Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí) sustituimos uno de sus átomos(que como sabemos tiene 4 electrones en su capa exterior) por un átomo de otro elemento quecontenga cinco electrones en su capa exterior, resulta que cuatro de esos electrones sirven paraenlazarse con el resto de los átomos de la red y el quinto queda libre.

A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le denomina "Silicio tipo N“. En estasituación hay mayor número de electrones que de huecos. Por ello a estos últimos se les denomina"portadores minoritarios" y "portadores mayoritarios" a los electrones. Las Impurezas tipo N másutilizadas en el proceso de dopado son el arsénico, el antimonio y el fósforo. Está claro que si a unsemiconductor dopado se le aplica tensión en sus bornes, las posibilidades de que aparezca unacorriente en el circuito son mayores a las del caso de la aplicación de la misma tensión sobre unsemiconductor intrínseco o puro.

Semiconductor tipo p

Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí) sustituimos uno de sus átomos(que como sabemos tiene 4 electrones en su capa exterior) por un átomo de otro elemento quecontenga tres electrones en su capa exterior, resulta que estos tres electrones llenarán los huecos quedejaron los electrones del átomo de silicio, pero como son cuatro, quedará un hueco por ocupar.Entonces ahora la sustitución de un átomo por otros provoca la aprición de huecos en el cristal desilicio. Por tanto ahora los "portadores mayoritarios" serán los huecos y los electrones los portadoresminoritarios.

A esta red de silicio dopada con esta clase de impurezas se le denomina "silicio tipo P"

Nomenclatura semiconductores dopados

Los semiconductores dopados se representan indicando dentro de los mismos el tipo deportadores mayoritarios.

Semiconductor tipo N Semiconductor tipo P

No siempre el índice de dopado de un semiconductor es el mismo, puede ser que este"poco dopado", "muy dopado", etc. Es norma utilizar el signo (+) para indicar que unsemiconductor está fuertemente dopado.

Semiconductor N fuertemente dopado Semiconductor P fuertemente dopado

Referencias

• http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/default.asp

• http://www.uv.es/candid/docencia/ed_tema-02.pdf

• http://ocw.usal.es/eduCommons/ensenanzas-tecnicas/electronica/contenido/electronica/Tema1_SemiConduct.pdf

• http://www.etitudela.com/Electrotecnia/downloads/introduccion.pdf