SEMICONDUCTORES

SEMICONDUCTORES

I. DEFINICION:

Es aquel elemento que se comporta como un conductor o como un aislante, por los siguientes factores: Campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación, la temperatura, etc.

A. ¿CUÁLES SON ESTOS ELEMENTOS?

Son elementos, como el germanio y el silicio, que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medida que se eleva la temperatura o bien por la adicción de determinadas impurezas (elementos del grupo 13 y 15) resulta posible su conducción.

Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en órbita exterior ó de valencia. Los conductores tienen 1 electrón de valencia, los semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones de valencia.

N° ELEMENTO SIMBOLO GRUPO ELECTRONES EN LA ULTIMA CAPA

1 Cadmio Cd 12 2 e-

2 Aluminio Al 13 3 e-

3 Galio Ga

4 Boro B

5 Indio In

6 Silicio Si 14 4 e-

7 Carbono C

8 Germanio Ge

9 Fosforo P 15 5 e-

10 Arsénico As

11 Antimonio Sb

12 Selenio Se 16 6 e-

13 Telurio Te

14 Azufre S

Los 2 semiconductores que veremos serán el Silicio y el Germanio:

Como vemos los semiconductores se caracterizan por tener una parte interna con carga + 4 y 4 electrones de valencia.

El elemento semiconductor más usado es el Silicio (Si), el segundo el Germanio (Ge)

Idéntico comportamiento presentan las Combinaciones de los grupos 13 y 15;

GaAs (Galio y Arsenico)

PIn (Fosforo y Indio)

AsGaAl (Arsenico, Galio y Alumnio)

Y Combinación con los grupos 12 y 16

TeCd (Telurio y Cadmio)

SeCd (Selenio y Cadmio)

SCd (Azufre y Cadmio)

Posteriormente se ha comenzado a emplear también el Azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².

Su importancia en electrónica, debido a su uso en dispositivos tales como los transistores, circuitos integrados (y por tanto en computadoras) y en los laseres, la búsqueda de nuevos materiales semiconductores y la mejora de los materiales existentes es un importante campo de estudio en la ciencia de materiales.

B. COMPORTAMIENTO DEL SEMICONDUCTOR

El átomo normal de silicio tiene cuatro electrones periféricos que son atraídos fuertemente por el núcleo y, por tanto no pueden utilizarse como libres o móviles de transporte de cargas. Dicho en otros términos, el silicio puro ofrece una resistencia al paso de la corriente eléctrica y se comporta como un aislante más bien que como un conductor.

Para poder utilizar el silicio como conductor es preciso mezclarle o adicionarle pequeñas cantidades de "impurezas", es decir, de elementos químicos cuyo átomo posea cinco o tres electrones de valencia.

La adición de tales impurezas recibe el nombre de "dopado", y el resultado de la misma es la obtención de un material con exceso de elementos libres o bien con deficiencia de electrones libres (exceso de "huecos").

II. TIPOS DE SEMICONDUCTORES

A. SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS

Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia. Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 1,12 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 energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h (electrones y huecos), y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece constante. Siendo "n" la concentración 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 portadores contribuyen al paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos, originando una corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.

B. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS

Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio. Hoy en día se han logrado añadir impurezas de una parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificación del material.

1. Semiconductor tipo N

Un Semiconductor tipo N 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 negativos o electrones).

Cuando se añade el material dopante, aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante, ya que da algunos de sus electrones.

El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si

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