Semiconductores.

INTRODUCCIÓN

Para poder explicar qué es un material semiconductor es necesario recurrir a la teoría de bandas:

Una banda deriva de la combinación de los orbitales de muchos átomos como ocurre en los metales. Si una banda estuviera totalmente vacía no habría conducción  y si estuviera totalmente llena tampoco, pero si se produce una situación intermedia existen electrones que se pueden mover entre las bandas de conducción y de valencia.

La banda de valencia (BV): está ocupada por los electrones de valencia de los átomos, es decir, aquellos electrones que se encuentran en la última capa o nivel energético de los átomos. Los electrones de valencia son los que forman los enlaces entre los átomos, pero no intervienen en la conducción eléctrica.

La banda de conducción (BC): está ocupada por los electrones libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente. Estos electrones son los responsables de conducir la corriente eléctrica.

Entre la banda de valencia y la de conducción existe una zona denominada banda prohibida o gap, que separa ambas bandas y en la cual no pueden encontrarse los electrones.

En consecuencia, para que un material sea buen conductor de la corriente eléctrica debe haber poca o ninguna separación entre la BC y la BV ,(que pueden llegar a solaparse como es el caso de los metales), de manera que los electrones puedan saltar entre las bandas. Cuando la separación entre bandas sea mayor, el material se comportará como un aislante.

Cuando la separación entre bandas permite solo el salto de algunos electrones entre éstas, el material se comportará como un semiconductor. Para que se produzca dicho salto se tiene que superar el gap de energía, mediante excitación térmica, impurezas etc.

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TIPOS DE SEMICONDUCTORES

SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS→Son un tipo de semiconductores en los cuales el GAP de energía Eg entre las bandas de valencia y conducción es muy pequeño, como consecuencia algunos electrones poseen suficiente energía térmica para salvar (sobrepasar) el gap de energía entrando en la banda de conducción. Estos electrones excitados dejan atrás niveles de energía desocupados, es decir, huecos en la banda de valencia.

Cuando un electrón se mueve para llenar un hueco, se crea otro hueco en el nivel original de este electrón; en consecuencia, parece que los huecos actuaran como electrones de carga positiva, y también fueran portadores de carga eléctrica.

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En los semiconductores intrínsecos, variando la temperatura se controla la concentración de portadores de carga y, en consecuencia, la conductividad eléctrica. En el cero absoluto, todos los electrones se encuentran en la banda de valencia y todos los niveles de la banda de conducción están desocupados. Conforme se incrementa la temperatura, hay mayores probabilidades de que se ocupe un nivel de energía en la banda de conducción.

Cuando se aplica un voltaje eléctrico al material, los electrones de la banda de conducción se aceleran hacia la terminal positiva, en tanto que los huecos de la banda de valencia se mueven hacia la terminal negativa, por lo tanto se conduce la corriente mediante el movimiento de electrones y huecos.

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Conductividad:

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ne= concentración de electrones en la banda de conducción

nh= Concentración de huecos en la banda de valencia.

μ= movilidad

En el caso de semiconductores intrínsecos→[pic 5]

n es la concentración de electrones en la banda de conducción (y huecos) y tiene esta expresión

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Por lo tanto, en semiconductores al aumentar la temperatura, aumentará la conductividad, ya que estarán presentes más portadores de carga.

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Si se retira la fuente de la energía o voltaje de excitación, se vuelven a combinar los huecos y los electrones después de un periodo de tiempo. La concentración de electrones en la banda de conducción se reduce con una rapidez dada por:

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𝝉= tiempo de recombinación (constante).

SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS→ Se generan al agregar intencionadamente a semiconductores intrínsecos un pequeño número de átomos de impureza en el material (método conocido como dopado), con el fin de modificar su comportamiento eléctrico al alterar la densidad de los portadores de cargas.

La conductividad de estos semiconductores dependerá principalmente de la concentración de átomos de impureza o dopantes y, en un rango especifico de temperatura, incluso puede resultar independiente de la temperatura.

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Los semiconductores extrínsecos se pueden clasificar en:

• Semiconductores tipo n:  el átomo de impureza introducido en el material  presenta más electrones que el resto de átomos de la estructura cristalina. Los electrones en exceso del dopante no están ligados en ningún enlace covalente situándose en un nivel de energía justo por debajo de la banda de conducción (nivel donante), de manera que con muy poca energía dicho electrón pasa a la banda de conducción (incremento de energía se llama Ed).

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El GAP de energía que controla la conductividad es ahora Ed en lugar de Eg .

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Una pequeña cantidad de conducción intrínseca existirá siempre que algunos electrones adquirieran la energía suficiente para salvar el GAP (Eg).

        La concentración total de portadores de carga es:

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A bajas temperaturas la aportación intrínseca se puede considerar nula:

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Conforme se incrementa la temperatura, más electrones de los niveles donantes sobrepasan el GAP Ed hasta que, finalmente, todos los electrones de niveles donantes están en la banda de conducción. En este punto se ha alcanzado el agotamiento de los niveles donantes o también se dice que se ha producido la saturación en la conductividad por ello es casi constante; no hay disponibles más electrones de donación y la temperatura sigue siendo demasiado baja para producir electrones y huecos intrínsecos.

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