Elaborado por: Mery Leny Sullón Chero

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

Los semiconductores más conocidos son el silicio (Si) y el germanio (Ge). Debido a que, como veremos más adelante,el comportamiento del silicio es más estable que el germanio frente a todas las perturbaciones exteriores que puedenvariar su respuesta normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más 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.

Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo, como electrones en las órbitasque le rodean. (En el caso del silicio este número es de 14). El interés del semiconductor se centra en su capacidad dedar lugar a la aparición de una corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. Como es de todos conocido,un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos. Por tanto los electrones quetienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que seencuentran en las órbitas exteriores. Estos electrones pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres alinyectarles una pequeña energía. En estos recaerá nuestra atención y es así que en vez de utilizar el modelo completodel átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación simplificada (Figura 2) donde se resalta la zona denuestro interés.

La zona sombreada de la figura 2 representa de una manera simplificada a la zona sombreada de la figura 1.Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser liberados de la fuerza de atracción del

núcleo son cuatro.

Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlacescovalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra atemperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conduccióndejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.

Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer, desde el estado energéticocorrespondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se ledenomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y derecombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece constante. Siendo "n" laconcentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:

ni = n = p

siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del tipo de elemento.

Ejemplos de valores de ni a temperatura ambiente (27 ºC):

ni(Si) = 1.5 1010cm-3

ni(Ge) = 2.4 1013cm-3

Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En los semiconductores, ambos tipos de portadorescontribuyen al paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen doscorrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, ladebida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2),originando una corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad ymagnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.

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Cuando el silicio se encuentra formado por átomos del tipo explicado en el apartado anterior, se dice que seencuentra en estado puro o más usualmente que es un semiconductor intrínseco

Una barra de silicio puro está formada por un conjunto de átomos en lazados unos con otros según una determinadaestructura geométrica que se conoce como red cristalina

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

El átomo siempre tendrá la tendencia a estar en su estado normal, con todas sus cargas, por lo tanto en nuestro caso,intentará atraer un electrón de otro átomo para rellenar el hueco que tiene.

Toda inyección de energía exterior produce pues un proceso continuo que podemos concretar en dos puntos:

Electrones que se quedan libres y se desplazan de un átomo a otro a lo largo de la barra del material semiconductorde silicio.

Aparición y desaparición de huecos en los diversos átomos del semiconductor.

Queda así claro que el único movimiento real existente dentro de un semiconductores el de electrones. Lo que sucedees que al aparecer y desaparecer huecos, "cargas positivas", en puntos diferentes del semiconductor, parece que estosse mueven dando lugar a una corriente de cargas positivas. Este hecho, movimiento de huecos, es absolutamentefalso,. Los huecos no se mueven, sólo parece que lo hacen.

Ahora bien, para facilitar el estudio de los semiconductores hablaremos de corriente de huecos (cargas positivas),pues nos resulta más cómodo y los resultados obtenidos son los mismos que los reales.

Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de lapila intentará atraer los electrones y el negativo los huecosfavoreciendo así la aparición de una corriente a través delcircuito.

Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeñovalor, pues son pocos los electrones que podemos arrancarde los enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar elvalor de dicha corriente tenemos dos posibilidades:

Aplicar una tensión de valor superior

Introducir previamente en el semiconductor electrones ohuecos desde el exterior

La primera solución no es factible pues, aún aumentandomucho el valor de la tensión aplicada, la corriente queaparece no es de suficiente valor. La solución elegida es lasegunda.

En este segundo caso se dice que el semiconductor está"dopado".

El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio porátomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce conel nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impurezacon el que se dope al semiconductor puro o intrínsecoaparecen dos clases de semiconductores.

Semiconductor tipo P

Semiconductor tipo N

Sentido del movimiento de un electrón y un hueco en el silicio

Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicioenlazados entre sí) ....

Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese que cada átomo comparte cada uno de sus electrones con otros cuatro átomos

A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas sele denomina "Silicio tipo N"

En esta situación hay mayor número de electrones que dehuecos. Por ello a estos últimos se les denomina "portadoresminoritarios" y "portadores mayoritarios" a los electrones

Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso dedopado son el arsénico, el antimonio y el fósforo

Está claro que si a un semiconductor dopado se le aplicatensión en sus bornas, las posibilidades de que aparezcauna corriente en el circuito son mayores a las del caso de laaplicación de la misma tensión sobre un semiconductor

intrínseco o puro.

.... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4electrones en su capa exterior) por un átomo de otro elemento quecontenga cinco electrones en su capa exterior, resulta que cuatro deesos electrones sirven para enlazarse con el resto de los átomos de lared y el quinto queda libre.

Cuando se agregan impurezas pentavalentes.Pentavalentes se refieren a lossemiconductores con 5 electrones en suúltima capa de valencia, obviamente estosúltimos electrones es utilizado para ligarsecon otros átomos, que gráficamente formanuna estructura cristalina como lo conocemosen la realidad.

A los materiales que se utilizan en el dopadotipo N, se le denominan impurezas, porqueesta será combinada con un materialcristalino puro y semiconductor base (Puedeser el Silicio o el Germanio).

Las impurezas cuentas con 5 electronesdenominados pentavalentes y los másutilizados en la electrónica son: Fósforo (P),Arsénico (As) y el Antimonio (Sb). Y a estosse les denomina átomos donadores con cincoelectrones en la última capa de valencia.

Cuando añadimos al semiconductor base(Silicio) una impureza externa, para estecaso utilizaremos el arsénico, cada átomose unirán con el más cercano, para el casodel arsénico, sus cinco electrones devalencia se ligarán con los 4 electrones devalencia del Silicio. Entonces sólo cuatroestarán unido mediante el enlacecovalente, pero sobrará uno porque erancinco electrones, este electrón sobrantequedará libre en la estructura cristalina.

Se puede apreciar en esta situación el dopado tipo N, cuando el átomo donador pentavalente secombina con el Silicio y da lugar a electrones casi libres, que a una temperatura de ambiente mínimaestos se desplazan como un electrón de conducción más.

El dopado del tipo N, contiene un materialsemiconductor cristalino Puro (intrínseco), alcual le agregamos impureza externa con 5electrones en la última capa de valencia, que alcombinarlos formarán una estructuracombinada, pero adicionalmente por cadaátomo impuro añadido existirá un electrónsuelto, que es propicio a saltar a la banda deconducción con la mínima energíaproporcionada.

Entonces los semiconductores extrínsecos detipo N, es un proceso que artificialmentemodificamos al semiconductor base,añadiéndole impurezas donadoras externas,para luego tener en la combinación electronessobrantes, que conducirán la electricidadrápidamente, o mejor dicho para que seanconductores de corriente. O al aplicarleenergías bajas, sean atraídos hacia la banda deconducción y sean buenos conductores.

Cuando se le aumenta de temperatura como aquí a 300°K sucederáque los electrones sobrantes de los átomos donadores sedesprenderán y por lo tanto pasarán a la banda de conducción, al quenosotros le conocemos como corriente eléctrica. Entonces en este dedopado de tipo N, existirán más electrones libres (portadoresmayoritarios) y los minoritarios serían los huecos o portadoresminoritarios. También se observa a los huecos térmicos y electronestérmicos, esto sucederá cuando la temperatura sigue en aumento, seromperán enlaces y desprenderán más electrones y que estos haránaumentar la conductividad a un mayor grado.

Entonces cuando se desprenden el electrón libre del átomo donadororigina que este átomo adquiera una carga positiva, pues sabemos queel núcleo no es modificado y a la vez el átomo donador pierde unelectrón menos. Por lo tanto se crea un Ion inmóvil cargadopositivamente, es decir no contribuirá a la conducción.

El fenómeno de generación de pares electrón – hueco se seguiráproduciendo, por lo que también aparecerán huecos en el material,que estos serán los portadores minoritarios.

Entonces los semiconductores con impurezas donadores sedenominan intrínsecos del tipo N (negativo) en la que encontraremosuna concentración mayor de electrones (-e) que los huecos (+h). Enesta otra gráfica se observa de otro modo la misma situación.

Se ha dicho que a la estructura cristalinapura, el Sillico de 4 electrones en la capade valencia, se añade impurezasexternas con 5 electrones en la capa devalencia, pero estos serán en menorcantidad, en otras palabras habrá másátomos de Sillico que el de la impureza,entonces no habrá influencias entre losátomos donadores. Por esta razón laestructura cristalina se mantendráacorde a los átomos de Silicio, y tambiénse mantendrán en igualdad sus nivelesde energía entre átomos diferentes en laestructura cristalina y esto permitirágenerar un estado permitido deelectrones cerca de la banda deconducción. La energía necesaria paraalcanzar la banda de conducción seconsigue a temperatura de ambiente.

En este tipo de dopaje del tipo N (negativo), porque tiene mayores electrones que huecos, loselectrones están cerca de la banda de conducción, y si le conectamos energía externa, los electronestienden a saltar a la banda de conducción y en este caso tendremos un buen conductor. Podemosobservar que los electrones suelen desplazarse a la banda de conducción según se aumente detemperatura al semiconductor y por lo tanto conduce corriente o calor.

Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazadosentre sí) ....

Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese que cada átomo comparte cada uno de sus electrones

con otros cuatro átomos

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

.... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electronesen su capa exterior) por un átomo de otro elemento que contenga treselectrones en su capa exterior, resulta que estos tres electrones llenaránlos huecos que dejaron los electrones del átomo de silicio, pero comoson cuatro, quedará un hueco por ocupar. Ósea que ahora la sustituciónde un átomo por otros provoca la aparición de huecos en el cristal desilicio. Por tanto ahora los "portadores mayoritarios" serán los huecos ylos electrones los portadores minoritarios.

Cuando a un material semiconductor enestado puro, en este caso el Silicio, se leagregan impurezas externas de otro materialsemiconductor. Para este caso se agregancuidadosamente la impureza que tenga 3electrones en la última capa de valencia.

Sabemos que el átomo del Silicio cuenta con4 electrones en la última capa de valencia,que lo usa para unirse internamente y paracon otros materiales semiconductores.

En esta etapa a las impurezas se ledenominan “Impurezas aceptadoras” y a suselectrones de la última capa de valencia, se ledenomina “Trivalentes”. Estas impurezaspueden ser el Boro (B), Galio (Ga), Indio (In)o el Aluminio (Al).

Representación gráfica del átomo del Boro, en la parte de color celeste,es la parte interna del átomo, y esto no es usado para interactuarexternamente. En el funcionamiento de los niveles de energía del átomo,este utiliza la última capa de valencia para interactuar con otros yvemos en la gráfica que el Boro cuenta con 3 electrones de valencia, porlo tanto es trivalente.

Cuando al Silicio le añadimosátomos del Boro, se dice que unSemiconductor esta dopado detipo P. Recordar que no sólo elBoro es utilizado, pueden ser elGalio u otros con 3 electronesde valencia.

Al combinar los átomos delSilicio con el Boro, sucede quehabrá un hueco en la capa devalencia. Esto es porque elSilicio tiene 4 electronesuniéndose con los demás, peroal agregar el Boro, lo cual tiene3 electrones, faltará unelectrón para unirse con elSilicio, y a este espaciosobrante se le denomina hueco(carga positiva).

En la gráfica se observa que el Boro sólo con 3 electrones en la capade valencia ligada con el Silicio, pero el Silicio tiene 4 electrones,entonces queda un hueco libre (h+). Esta representación sucedecuando se encuentra temperatura 0°K.

Los niveles de energía permanecen estables entemperaturas 0°K. Al aumentarle detemperatura la situación cambia en elfuncionamiento de los niveles de energía en eldopaje de tipo P.

A temperatura de ambiente habrá movimientode electrones (-e), que seguirán una dirección,y según avancen cargarán a los huecosnegativamente y a la vez dejarán huecos (+h) ygracias al aumento de temperatura iránsaliendo de la banda de valencia y si continuaasí pasarán a la banda de conducción.

Entendiéndose entonces al dopado tipo P, comoun proceso en la cual se añaden impurezastrivalentes (tres electrones en la última capa devalencia), y producen la aparición de huecos enel semiconductor base (Silicio o Germanio) ylos huecos se cargarán positivamente (+h) ypor defecto facilitara el movimiento deelectrones que pasarán por los huecos hacia labanda conducción y posteriormente a la bandaconducción.

En la gráfica se aumentado de temperatura a 300°K y se observa claramente el movimiento de los electrones hacia los huecos dejados

por la impureza trivalente, esto naturalmente dejará más huecos en el Silicio y los electrones seguirán moviéndose sucesivamente, llenando

los huecos y agitándose constantemente.

Se dará entonces que habrá portadorespositivos mayoritariamente, que vienenhacer los huecos (+h) y los portadoresminoritarios vendrían hacer los electroneslibres (-e), que son los que aparecerán acausa de las rupturas de enlaces covalentes.

También se observa que el átomo trivalente(aceptadores) gana un electrón y esteoriginará una carga negativa, y por lo que elátomo interno no es modificado, entonces secreará un Ion negativo inmóvil, es decir nocontribuye a la conducción. En la siguientegráfica se observa de otro modo alsemiconductor tipo P.

Como se ha visto hastaahora el proceso dedopado tipo P, es cuando seagregan impurezastrivalentes a los átomos deltetravalentes (4 electronesy puede ser el Germanio oel Silicio), por lo tantohemos visto sufuncionamiento interno ysu comportamiento frentea determinado fenómeno,como este en este caso latemperatura, por lo tantoahora analizaremosmediante un diagrama debandas continuando elmismo concepto.

El Boro genera un estado permitido (niveles de aceptadores) en la banda prohibida, pero cerca de la banda devalencia. La energía, para que los electrones pasan de esta forma está muy cerca a temperatura ambiente, generaun hueco en la banda de Valencia al producirse el paso de electrones a la banda prohibida, las posibilidades depasar a la banda conducción serán cada vez mayores, y estos a la vez dejan huecos en la banda de valencia.

Hasta ahora hemos tratado los materialesSemiconductores más utilizados y conocidos en laelectrónica, pero existen algunos más, pero pococonocidos, pero que también son de utilidad, por elloveremos un proceso de dopado del Selenio, Arsénico yCadmio, que lo ilustraremos mediante gráfica con suexplicación respectiva.

Ga= Galio Cd=Cadmio

As= Arsénico CdAs= Arseniuro de Cadmio

Él Se con 6 electrones de valencia, es un donador. El Cdcon 2 es un aceptor, transforman al AsGa en unsemiconductor extrínseco de tipo N o Prespectivamente, ver gráfica.

En el AsGa intrínseco el octeto de electronescorrespondientes a los 4 enlaces se forma mediante laaportación de 5 electrones de As y 3 electrones de Ga.

Él Se, sustituye al As, utiliza 5 de sus 6 electrones devalencia en formar 4 enlaces con el Ga y el sexto sedeslocaliza y queda móvil por la red.

El Cd sustituye al Ga, utiliza sus 2 electrones de valenciaen formar dos enlaces completos con el Ga. Queda unenlace incompleto, que es móvil por la red, genera unHueco.

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

Semiconductor tipo N Semiconductor tipo P

No siempre el índice de dopado de un semiconductor es el mismo, puede ser que este "poco dospado", "muydopado", etc.

Es norma utilizar el signo (+) para indicar que un semiconductor está fuertemente dopado.

Semiconductor tipo N fuertemente Semiconductor tipo N fuertementedopado dopado

Todos los componentes electrónicos en estado sólido que veremos en adelante (transistores, diodos,tiristores) no son ni más y menos que un conjunto de semiconductores de ambos tipos ordenados dediferentes maneras.

Gracias