Un semiconductor es un elemento que se comporta como unconductor o como aislante dependiendo de diversos factores,como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, laradiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que seencuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tablaperiódica se indican en la tabla adjunta.

Un semiconductor es un elemento con valencia 4, lo que quieredecir que un átomo aislado de semiconductor tiene 4 electronesen su órbita exterior o de valencia. El número de electrones en laórbita de valencia es clave para la conductividad eléctrica. Losconductores poseen un electrón de valencia, los semiconductorestienen 4 y los aislantes 8 electrones de valencia.

El germanio es un ejemplo de semiconductor. En el centro sehalla un núcleo con 32 protones. En este caso los electronesse distribuyen como sigue: 2 electrones en la primeraórbita, 8 en la segunda y 18 en la tercera. Los últimos 4electrones se localizan en la órbita exterior o de valencia.

El material semiconductor más ampliamente utilizado es elsilicio. Un átomo aislado de silicio tiene 14 protones y 14electrones. Como puede apreciarse en la figura de laizquierda, la primera órbita contiene 2 electrones, y lasegunda contiene 8. Los cuatro electrones restantes se hallanen la órbita exterior.

Un semiconductor intrínseco es un semiconductor puro. Uncristal de silicio es un semiconductor intrínseco si cada átomodel cristal es un átomo de silicio. A temperatura ambiente, uncristal de silicio se comporta más o menos como unaislante, ya que tiene solamente unos cuantos electroneslibres y sus huecos producidos por excitación térmica.

Cuando el silicio se encuentra en estado puro o más usualmenteque es un semiconductor intrínseco. Una barra de silicio puro estáformada por un conjunto de átomos en lazados unos con otrossegún una determinada estructura geométrica que se conocecomo red cristalina

Si en estas condiciones inyectamos energía desde elexterior, algunos de esos electrones de los órbitas externasdejarán de estar enlazados y podrán moverse. Lógicamente si unelectrón se desprende del átomo, este ya no estácompleto, decimos que está cargado positivamente, pues tieneuna carga negativa menos, o que ha aparecido un hueco.Asociamos entonces el hueco a una carga positiva o al sitio queocupaba el electrón.

Un cristal de silicio forma una estructura tetraédricasimilar a la del carbono mediante enlaces covalentes entresus átomos, en la figura representados en el plano porsimplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperaturaambiente, algunos electrones pueden, absorbiendo laenergía necesaria, saltar a la banda de conducción,dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia(1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente son de 1,1 y 0,72 eV para elsilicio y el germanio respectivamente.

Obviamente el proceso inverso también se produce, demodo que los electrones pueden caer desde el estadoenergético correspondiente a la banda de conducción, a unhueco en la banda de valencia liberando energía. A estefenómeno, se le denomina recombinación. Sucede que, auna determinada temperatura, las velocidades de creaciónde pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo quela concentración global de electrones y huecos permaneceinvariable.

Siendo n la concentración de electrones (cargasnegativas) y p la concentración de huecos (cargaspositivas), se cumple que:

ni = n = psiendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusivade la temperatura.

Si se somete el cristal a una diferencia detensión, se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de loselectrones libres de la banda de conducción, y porotro, la debida al desplazamiento de los electronesen la banda de valencia, que tenderán a saltar alos huecos próximos (2), originando una corrientede huecos en la dirección contraria al campoeléctrico cuya velocidad y magnitud es muyinferior a la de la banda de conducción.

Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, leañadimos un pequeño porcentaje de impurezas, es decir,elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor sedenomina extrínseco, y se dice que está dopado. Lasimpurezas pueden o no sustituir al correspondiente átomodel semiconductor intrínseco en su estructura cristalinaoriginal.

Es el que se ha dopado con elementos pentavalentes (As, P oSb).

Al tener éstos elementos 5 electrones en la últimacapa, resultará que al formarse, como antes, la estructuracristalina, el quinto electrón no estará ligado en ningúnenlace covalente, encontrándose, aún sin estar libre, en unnivel energético superior a los cuatro restantes.

Si como antes, consideramos el efecto de latemperatura, observaremos que ahora, además de laformación de pares e-h, se liberarán también los electronesno enlazados, ya que la energía necesaria para liberar elelectrón excedente es del orden de la centésima parte de lacorrespondiente a los electrones de los enlaces covalentes(en torno a 0,01 eV).

Así, en el semiconductor aparecerá una mayor cantidad deelectrones que de huecos; por ello se dice que los electrones sonlos portadores mayoritarios de la energía eléctrica y puesto queeste excedente de electrones procede de las impurezaspentavalentes, a éstas se las llama donadoras.

Aún siendo mayor n que p, la ley de masas se sigue cumpliendo,dado que aunque aparentemente sólo se aumente el número deelectrones libres, al hacerlo, se incrementa la probabilidad derecombinación, lo que resulta en un disminución del número dehuecos p, es decir:

Por lo que respecta a la conductividad del material, ésta aumentaenormemente, así, por ejemplo, introduciendo sólo un átomodonador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es24100 veces mayor que la del silicio puro.

Es el que se ha dopado con elementos trivalentes (Al, B, Ga oIn).

En este caso, las impurezas aportan una vacante, por lo quese las denomina aceptoras (de electrones, se entiende).Ahora bien, el espacio vacante no es un hueco como elformado antes con el salto de un electrón, si no que tiene unnivel energético ligeramente superior al de la banda devalencia (del orden de 0,01 eV).

En este caso, los electrones saltarán a las vacantes confacilidad dejando huecos en la banda de valencia en mayornúmero que electrones en la banda de conducción, de modoque ahora son los huecos los portadores mayoritarios.

Al igual que en el caso anterior, el incremento del número dehuecos se ve compensado en cierta medida por la mayorprobabilidad de recombinación, de modo que la ley de masastambién se cumple en este caso:

Referencias:

http://www.monografias.com/trabajos6/fise/fise.shtml

http://enciclopedia.us.es/index.php/Semicon

dhttp://es.wikipedia.org/wiki/Germanio

http://enciclopedia.us.es/index.php/Semiconductor#Semiconductores_intr.C3.ADnsecos