Semiconductores

INTRODUCCION:

¿Qué es un Semiconductor?

Como la misma palabra indica, no son buenos conductores, pero tampoco son aislantes. Podemos definir los semiconductores como aquellos materiales que se comportan como conductores, solo en determinadas condiciones. Por eso se dice que están en un punto intermedio entre los conductores y los aislantes.

Por ejemplo, hay materiales que a partir de una cierta temperatura son conductores, pero por debajo, son aislantes.

En electrónica son muy importantes los semiconductores, ya que muchos componentes se fabrican con ellos.

Teoría de los Semiconductores

Para entender los principios físicos de los semiconductores tenemos que conocer como están formados los átomos de los elementos.

En el núcleo del átomo se encuentran protones, con carga positiva y los neutrones, solo con masa, no tienen carga eléctrica. Fuera del núcleo y girando alrededor de él, en las llamadas órbitas, se encuentran los electrones, con la misma carga que los protones pero negativa.

Cualquier átomo tiene el mismo número de protones en su núcleo que electrones girando en órbitas alrededor del núcleo. La carga positiva de los protones se anula con la negativa de los electrones, por eso el átomo, en su estado normal, tiene carga eléctrica nula.

Pero no todos los átomos son iguales. Cada elemento de la tabla periódica tiene diferentes átomos, pero todos están formados por las mismas partículas: protones, neutrones y electrones. Solo se diferencian en el número de ellas. El número de protones o electrones determina el número atómico del elemento.

Con los electrones, las partículas que realmente importan para estudiar la conducción eléctrica. La corriente eléctrica es un movimiento de electrones. Si somos capaces de mover los electrones de los átomos de un material, conseguiremos generar corriente eléctrica por él. Esta material se convertirá en conductor. Hay materiales que no podemos mover los electrones de sus átomo nunca, serán los aislantes.

Los electrones que más fácil nos resultaría hacerles abandonar el átomo, son los que se encuentran en la última capa u órbita del átomo. Ahora veremos por qué.

Cada órbita o capa en la que giran los electrones está situada en lo que se llama una banda de energía. Los electrones que están girando un una banda, tiene la misma energía que esa banda. Los electrones más cercanos al núcleo están muy unidos a él y tienen poca energía. Los más externos son las que tienen más energía, pero los que resulta más fácil hacerles abandonar el átomo.

Para que un electrón de las capas más próximas al núcleo sea capaz de abandonar el átomo, tendríamos que ir pasándolo de capa en capa hasta llegar a la última capa. Es decir necesitaríamos ir suministrándole energía para pasar de una capa a otra hasta llegar a la más externa (banda de valencia). Inicialmente, tienen poca energía y pasarían a mucha energía al llegar a la capa más externa. Esto sería muy difícil de hacer, por este motivo, estos electrones no se usan para abandonar el átomo y provocar corriente eléctrica.

Solo se usan los electrones de la última capa, llamados electrones de valencia. Estos son los que utilizaremos para hacerles abandonar el átomo, que pasen a otro y provocar corriente eléctrica por el material.

Pero ojo, estos electrones de la última capa, la más externa o de valencia, todavía tenemos que lograr que abandonen esta capa para que dejen por completo al átomo. Es como si tuvieran que saltar una última capa. Esta capa la llamaremos de conducción. Sería esa capa de conducción, la que tendría que saltar un electrón de la última capa para hacerle abandonar por completo el átomo. OJO el salto sería suministrándole energía. Salto es igual a energía. Hay materiales que esta capa de conducción, sería muy grande, les costaría mucho abandonar el átomo, incluso estando en la última capa o banda. Estos materiales son los aislantes. Si es muy fácil hacerles saltar esta capa (que pasen de la de valencia a la de conducción), se llamaría conductor.

Podríamos resumir todo esto diciendo que los electrones dentro de un átomo, se pueden encontrar en 3 tipos de bandas diferentes:

- Banda de conducción: Intervalo energético donde están aquellos electrones que pueden moverse libremente. Están libres de la atracción del atomo.

- Banda Prohibida: Energía que ha de adquirir un electrón de la banda de valencia para poder moverse libremente por el material y pasar a la banda de conducción.

- Banda de Valencia: Intervalo energético donde están los electrones de la última órbita del átomo.

En los aislantes un electrón de la capa de valencia no podríamos pasarlo a la de conducción, es demasiado difícil o ancha. Si te fijas en los conductores no hay capa prohibida, los electrones de valencia pasarían muy fácilmente a la de conducción.

Los semiconductores tienen una dificultad intermedia para pasar los electrones de valencia a la de conducción. En la mayoría de ellos es necesario suministrarles energía en forma de calor para que pasen de la de valencia a la de conducción. Es decir, convertirles en materiales conductores.

Un semiconductor se caracteriza por tener una banda prohibida, entre la de conducción y la de valencia, pero no muy ancha.

También tenemos que decir que cuando arrancamos un electrón al átomo, este se desequilibra, pasando a tener carga positiva (un protón más que electrones tenía). Esto es lo que se conoce como ionización, ya que lo convertimos en un ión positivo o catión.

Si por el contrario, el átomo no tiene su última capa llena y, por cualquier circunstancia le llega un electrón nuevo a esta capa, quedará cargado negativamente (un electrón más que protones tenía). Se convierte en un Ion negativo o anión.

El carbono, el silicio, el germanio y el estaño tienen en su última capa 4 electrones, se les llama tetravalente, porque pueden ceder 1,2,3 o 4 electrones.

Lógicamente un material está formado por millones de átomos, unidos mediante enlaces. Todos los semiconductores son materiales que tienen su átomos unidos por enlaces covalentes. (Pincha en el enlace subrayado si quieres saber más). Comparten los electrones de su última capa de 2 en 2. Uno de estos electrones compartidos entre dos átomo por medio el enlace covalente, será el que tengamos que arrancar.

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