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Pte: Jorge Luis, Quispe IndarucaCiclo: IV
Es un elemento que se comporta como un conductor ocomo aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo elcampo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o latemperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementosquímicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tablaadjunta.
Elemento GruposElectrones 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-
Los elementossemiconductores porexcelencia son el silicio y elgermanio, aunque existenotros elementos como elestaño, y compuestos comoel arseniuro de galio que secomportan como tales.
Tomemos como ejemplo elsilicio en su modelobidimensional:
Vemos como cada átomo de silicio se rodea desus 4 vecinos próximos con lo que compartesus electrones de valencia.
Si un electrón de valencia se convierte enelectrón de conducción deja una posiciónvacante, y si aplicamos un campo eléctrico alsemiconductor, este “hueco” puede serocupado por otro electrón de valencia, quedeja a su vez otro hueco. Este efecto es el deuna carga +e moviéndose en dirección delcampo eléctrico. A este proceso le llamamos‘generación térmica de pares electrón-hueco’.
El término intrínseco aquí, distingue entre las
propiedades del silicio puro "intrínseco", y las
propiedades radicalmente diferentes del
semiconductor dopado tipo n o tipo p.
Una barra de silicio puro está formada por un conjunto deátomos en lazados unos con otros según una determinadaestructura geométrica que se conoce como red cristalinaSi en estas condiciones inyectamos energía desde elexterior, algunos de esos electrones de los órbitas externasdejarán de estar enlazados y podrán moverse. Lógicamentesi un electrón se desprende del átomo, este ya no estácompleto, decimos que está cargado positivamente, puestiene una carga negativa menos, o que ha aparecido unhueco. Asociamos entonces el hueco a una carga positiva oal sitio que ocupaba el electrón.El átomo siempre tendrá la tendencia a estar en su estadonormal, con todas sus cargas, por lo tanto en nuestro caso,intentará atraer un electrón de otro átomo para rellenar elhueco que tiene.
En un semiconductor intrínseco está influenciado por la densidad de 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.
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.
Electrones y Huecos:
Si aplicamos una tensión alcristal de silicio, el positivo de lapila intentará atraer los electronesy el negativo los huecosfavoreciendo así la aparición deuna corriente a través del circuito.
Sentido del movimiento de un electrón y un hueco en el silicio
Para aumentar el valor de dichacorriente tenemos dos posibilidades:• Aplicar una tensión de valor superior
• Introducir previamente en elsemiconductor electrones o huecos desdeel exterior
La primera solución no es factible pues,aún aumentando mucho el valor de latensión aplicada, la corriente que apareceno es de suficiente valor.
En este segundo caso se dice que elsemiconductor está "dopado".
El dopaje consiste en sustituir algunosátomos de silicio por átomos de otroselementos. A estos últimos se les conocecon el nombre de impurezas.
Si en una red cristalina de silicio (átomos desilicio enlazados entre sí) ..
Enlace covalente de átomos de germanio,obsérvese que cada átomocomparte cada uno de sus electrones con otroscuatro átomos…sustituimos uno de sus átomos
(que como sabemos tiene 4 electrones en sucapa exterior) por un átomo de otro elementoque contenga cinco electrones en su capaexterior, resulta que cuatro de esos electronessirven para enlazarse con el resto de losátomos de la red y el quinto queda libre.
Semiconductor dopado tipo N
A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le denomina"Silicio tipo N"
En esta situación hay mayor número de electrones que de huecos. Por elloa estos últimos se les denomina "portadores minoritarios" y "portadoresmayoritarios" a los electrones
Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso de dopado son elarsénico, el antimonio y el fósforo
Está claro que si a un semiconductor dopado se le aplica tensión en susbornas, las posibilidades de que aparezca una corriente en el circuito sonmayores a las del caso de la aplicación de la misma tensión sobre unsemiconductor intrínseco o puro.
Se obtiene llevando a cabo un proceso
de dopado, añadiendo un cierto tipo de
átomos al semiconductor para poder
aumentar el número de portadores de
carga libres (en este caso positivos).
Cuando el material dopante es
añadido, éste libera los electrones mas
débilmente vinculados de los átomos
del semiconductor. Este agente
dopante es también conocido
como material aceptor y los átomos
del semiconductor que han perdido un
electrón son conocidos como huecos.
El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de
huecos. En el caso del silicio, un átomo trivalente (típicamente
del grupo IIIA de la tabla periódica, tales como el boro (B),
el aluminio (Al), el Galio (Ga) o el Indio (In)) es sustituido
dentro de la red cristalina. El resultado es la falta de uno de los
cuatro electrones del enlace covalente de la red cristalina del
silicio. De esta manera, el átomo dopante puede aceptar un
electrón provinente de los enlaces covalentes de los átomos
vecinos, completando así sus cuatro enlaces. Así los dopantes
crean los "huecos".
Cada hueco está asociado con un ión cercano
cargado negativamente, por lo que el semiconductor se
mantiene eléctricamente neutro en general. No obstante, cuando
cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo
situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve
equilibrado por un electrón. Por esta razón un hueco se comporta
como una cierta carga positiva. Así, los huecos son los portadores
mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores
minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb),
que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de unsemiconductor tipo P que se produce de manera natural.
Los semiconductores dopados se representan indicando dentro de los mismos el tipode portadores mayoritarios.
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 un semiconductor está fuertementedopado.
Todos los componentes electrónicos en estado sólido (transistores, diodos, tiristores) noson ni más y menos que un conjunto de semiconductores de ambos tipos ordenados dediferentes maneras.
Semiconductor tipo N fuertemente dopado
Semiconductor tipo P fuertemente dopado
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.
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 pentavalentesLos átomos de impurezas con 5 electrones de valencia producen semiconductores
de tipo n, por la contribución de electrones extras.
Impurezas trivalentes
Los átomos de impurezas con 3
electrones de valencia, producen
semiconductores de tipo p, por la
producción de un "hueco" o
deficiencia de electrón.
1. http://fisicauva.galeon.com/aficiones1925812.html
2. http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/solids/intrin.html
3. http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/observaciones.asp
4. http://www.profesormolina.com.ar/electronica/componentes/semicond/dopado.htm
5. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/dope.html
6. http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor
