Semiconductores

I. Objetivos

• Comprender como los diferentes tipos de semiconductores están formados.

• Identificar las características y propiedades de la unión P – N en equilibrio.

• Conocer los diversos tipos de polarización en los semiconductores.

• Analizar el fenómeno de ruptura y sus causas.

• Entender los procesos de fabricación de los semiconductores.

II. La Unión PN

2.1 Semiconductores tipo P y N

Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el selenio.

El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los siguientes fenómenos:

• Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de la pila.

• Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila.

• Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado, siendo constante en todo momento el número de electrones dentro del cristal de silicio.

• Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica.

En la práctica, para mejorar la conductividad eléctrica de los semiconductores, se utilizan impurezas añadidas voluntariamente. Esta operación se denomina dopado, utilizándose dos tipos:

• Impurezas pentavalentes. Son elementos cuyos átomos tienen cinco electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el fósforo, el antimonio y el arsénico.

• Impurezas trivalentes. Son elementos cuyos átomos tienen tres electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el boro, el galio y el indio.

Cuando un elemento con cinco electrones de valencia entra en la red cristalina del silicio, se completan los cuatro electrones de valencia que se precisan para llegar al equilibrio y queda libre un quinto electrón que le hace mucho mejor conductor. De un semiconductor dopado con impurezas pentavalentes se dice que es de tipo N, esto puede observarse en la figura 2.1.

Figura 2.1 Semiconductor tipo N

En cambio, si se introduce una impureza trivalente en la red cristalina del silicio, se forman tres enlaces covalentes con tres átomos de silicio vecinos, quedando un cuarto átomo de silicio con un electrón sin enlazar, provocando un hueco en la red cristalina. De un semiconductor dopado con impurezas trivalentes se dice que es de tipo P lo cual puede observarse en la figura 2.2.

Figura 2.2 Semiconductor tipo P

2.2 La Unión PN en equilibrio

Cuando se forma la unión, y no se aplica voltaje, en la zona de la unión los electrones libres de los átomos de fósforo se combinan con los huecos de los átomos de aluminio. Esto se llama recombinación. los átomos en cada lado de la unión no pueden moverse ya que están fijos en el cristal, de manera que forman una barrera de potencial a cada lado de la unión - un potencial positivo en el lado del tipo N y un potencial negativo en el toro lado tipo P. Como la recombinación continua, la región con potenciales se expande.

Esta región se llama zona de vaciado, debido a que todos los electrones libres y huecos se combinan y la zona queda vacía de portadores de carga. En la figura 2.3 se puede observar como los electrones y huecos al recombinarse forman iones en la zona de agotamiento en un semiconductor de silicio con una unión p- n.

Figura 2.3 Recombinación en la unión

Una unión p-n se encuentra en equilibrio termodinámico cuando se encuentra a una temperatura uniforme y no actúan sobre ella factores externos que aporten energía.

En este caso las corrientes de electrones y huecos deben anularse en cada punto del semiconductor y, desde un punto de vista termodinámico, el nivel de Fermi ha de ser el mismo para ambos tipos de portadores. Con ello tendremos:

(2.1)

(2.2)

(2.3)

Antes de producirse el equilibrio y desde el instante del contacto, existen unas corrientes de difusión producidas por la variación del gradiente de portadores a cada lado de la unión.

Este desplazamiento de portadores alrededor de la unión metalúrgica hace que aparezca en dicha zona, llamada zona de transición o de carga espacial, una densidad de carga eléctrica debida a las impurezas ionizadas inmóviles, negativa en la región P y positiva en la región N, que origina un campo eléctrico en la zona de transición y cuya dirección se opone al movimiento por difusión de los portadores móviles. De ese modo se llega al equilibrio cuando el valor de este campo eléctrico que actúa sobre los portadores móviles compensa el efecto debido a la difusión.

La presencia de este campo eléctrico en la zona de transición conllevará la aparición de una diferencia de potencial electrostático entre las regiones P y N, que recibe el nombre de potencial de contacto de la unión y cuyo valor, en equilibrio, permite que el nivel de Fermi sea constante a través de la unión.

Las ecuaciones básicas para un estudio cuantitativo de una unión P-N en equilibrio

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