SEMICONDUCTORESINTRINSECO Y EXTRINSECO (DOPADO)

René Huisa Ttito

SEMICONDUCTOR

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.

El elemento semiconductor más usado es el SILICIO, el segundo el GERMANIO, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos 12 y 13 con los de los grupos 14 y 15 respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el AZUFRE. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una CONFIGURACIÓN ELECTRONICAS s²p².

SEMICONDUCTOR INTRINSECO

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 se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.

Como se puede observar en la ilustración, en el caso de los semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida es mucho más 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 1 eV 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 0,785 eV.

ESTRUCTURA CRISTALINA DE UN SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO

Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la ilustración, los átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.

MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA: CONDUCCIÓN INTRÍNSECA

Ejemplo de semiconductor

Los elementos semiconductores por excelencia son el silicio y el germanio, aunque existen otros elementos como el estaño, y compuestos como el arseniuro de galio que se comportan como tales.

Tomemos como ejemplo el silicio en su modelo bidimensional:

Vemos como cada átomo de silicio se rodea de sus 4 vecinos próximos con lo que comparte sus electrones de valencia. 

A 0ºK todos los electrones hacen su papel de enlace y tienen energías correspondientes a la banda de valencia. Esta banda estará completa, mientras que la de conducción permanecerá vacía. Es cuando hablamos de que el conductor es un aislante perfecto.

Ahora bien, si aumentamos la temperatura, aumentará por consiguiente la energía cinética de vibración de los átomos de la red, y algunos electrones de valencia pueden absorber de los átomos vecinos la energía suficiente para liberarse del enlace y moverse a través del cristal como electrones libres. Su energía pertenecerá a la banda de conducción, y cuanto más elevada sea la temperatura más electrones de conducción habrá, aunque ya a temperatura ambiente podemos decir que el semiconductor actúa como conductor.

Si un electrón de valencia se convierte en electrón de conducción deja una posición vacante, y si aplicamos un campo eléctrico al semiconductor, este “hueco” puede ser ocupado por otro electrón de valencia, que deja a su vez otro hueco. Este efecto es el de una carga +e moviéndose en dirección del campo eléctrico. A este proceso le llamamos ‘generación térmica de pares electrón-hueco’.

Paralelamente a este proceso se da el de ‘recombinación’.Algunos electrones de la banda de conducción pueden perder energía(emitiéndola en forma de fotones, por ejemplo), y pasar a la de valencia ocupando un nivel energético que estaba libre, o sea , “ recombinándose” con un hueco. A temperatura constante, se tendrá un equilibrio entre estos dos procesos, con el mismo número de electrones en la banda de conducción que el de huecos en la de valencia.

Este fenómeno de la conducción asociada a la formación de pares en el semiconductor se denomina conducción intrínseca. Se cumple que

p = n = ni --> Donde p y n son las concentraciones de huecos y electrones respectivamente, y ni es la concentración de portadores intrínsecos.

SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS (DOPADOS)

En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar. A los semiconductores con dopajes ligeros y moderados se los conoce como extrínsecos. Un semiconductor altamente dopado que actúa más como un conductor que como un semiconductor es llamado degenerado.

A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea (wafer) o cristal semiconductor de. silicio pulida con brillo de espejo, destinada a la fabricación de transistores y circuitos. integrados. A la derecha aparece la cuarta parte de la oblea conteniendo cientos de. minúsculos dados o “chips”, que se pueden obtener de cada una. Esos chips son los. que después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se convertirán en. transistores o circuitos integrados. Una vez que los chips se han convertido en. transistores o circuitos integrados serán desprendidos de la oblea y colocados dentro. de una cápsula protectora con sus correspondientes conectores externos.

El segundo elemento también utilizado como semiconductor, pero en menor proporción que el silicio, es el cristal de germanio (Ge).

Durante mucho tiempo se empleó también el selenio (S) para fabricar diodos semiconductores en forma de placas rectangulares, que combinadas y montadas en una especie de eje se empleaban para rectificar la corriente alterna y convertirla en directa. Hoy en día, además del silicio y el germanio, se emplean también combinaciones de otros elementos semiconductores presentes en la Tabla Periódica.

Placa individual de 2 x 2 cm de área, correspondiente a un antiguo diodo de selenio.

Entre esas combinaciones se encuentra la formada por el galio (Ga) y el arsénico (As) utilizada para obtener arseniuro de galio (GaAs), material destinado a la fabricación de diodos láser empleados como dispositivos de lectura en CDs de audio.

Los semiconductores extrínsecos se caracterizan, porque tienen un pequeño porcentaje de impurezas, respecto a los intrínsecos; esto es, posee elementos trivalentes o pentavalentes, o lo que es lo mismo, se dice que el elemento está dopado.

SEMICONDUCTOR EXTRINSECO DE TIPO “N”

Son los que están dopados, con elementos pentavalentes, como por ejemplo (As, P, Sb). Que sean elementos pentavalentes, quiere decir que tienen cinco electrones en la última capa, lo que hace que al formarse la estructura cristalina, un electrón quede fuera de ningún enlace covalente, quedándose en un nivel superior al de los otros cuatro. Como consecuencia de la temperatura, además de la formación de los pares e-h, se liberan los electrones que no se han unido.

Como ahora en el semiconductor existe un mayor número de electrones que de huecos, se dice que los electrones son los portadores mayoritarios, y a las impurezas se las llama donadoras.

En cuanto a la conductividad del material, esta aumenta de una forma muy elevada, por ejemplo; introduciendo sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es 24100 veces mayor que la del silicio puro.

En este caso son los que están dopados con elementos trivalentes, (Al, B, Ga, In). El hecho de ser trivalentes, hace que a la hora de formar la estructura cristalina, dejen una vacante con un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia, pues no existe el cuarto electrón que lo rellenaría. 

Esto hace que los electrones salten a las vacantes con facilidad, dejando huecos en la banda de valencia, y siendo los huecos portadores mayoritarios.

SEMICONDUCTOR EXTRINSECO DE TIPO “P”

Lugares visitados

http://fisicauva.galeon.com/aficiones1925812.html

http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_3.htm

http://fisicauva.galeon.com/aficiones1925813.html

Wikipedia

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