Semiconductores

Física de los semiconductores. –

Si bien los materiales en electricidad se clasifican en conductores y en aislantes

según la cantidad de electrones libres que posean, existe una categoría de elementos que

no se comportan ni de una forma ni de otra y reciben el nombre de semiconductores. Se

trata de elementos que tienen la particularidad de que en su órbita exterior poseen cuatro

electrones. De estos elementos que están ubicados en la cuarta columna de la tabla

periódica interesan particularmente el germanio y el silicio . En la figura 1 se muestra

la imagen de un átomo de silicio.

+ 1 4 + 4

fig. 1

Estos materiales tienen la propiedad de agruparse en forma de cristales. Esta

agrupación se forma compartiendo electrones de a dos lo que se conoce con el nombre

de “uniones covalentes” esta unión se efectúa en forma tal que los electrones propios

más los que comparte con los vecinos completan los ocho necesarios para la órbita

externa de valencia y así resultan químicamente estables . En la representación del

cristal de silicio se adoptará una configuración plana representando a los átomos con la

simplificación indicada en la figura uno (derecha).Como allí se ve se separan los cuatro

electrones orbitales que son los que interesan y al resto se lo agrupa asignándole la

carga +4 como resultante de los +14 del núcleo y los -10 de los electrones incluidos.

Si a es núcleo se le puede agregar por cualquier medio energía, por ejemplo térmica, es

posible que alguno de sus electrones de valencia quede en una posición que le permite

abandonar fácilmente el átomo. El electrón que abandona el núcleo se transforma en un

”electrón libre”, mientras que el átomo que queda con un electrón menos recibe el

nombre de ”hueco”. Entonces cuando se agrega energía a un semiconductor alguno de

los electrones orbitales abandonará sus átomos transformándose en ”electrones libres” y

en los lugares abandonados por ellos se han formado ”huecos”.

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

fig. 2

El hueco es una partícula de propiedades

parecidas a las del electrón libre pero posee

un signo eléctrico opuesto (positivo). En la

figura 2 se representa un semiconductor

químicamente puro que se denomina

”semiconductor intrínseco”.

El semiconductor en contacto con el medio

ambiente tomará su temperatura y por lo tanto

sus electrones tendrán estadística-mente un

cierto nivel de energía. Algunos superarán ese

nivel medio de energía y tendrán la

posibilidad de abandonar sus átomos

formando los correspondientes huecos.

A la temperatura de trabajo o temperatura ambiente en un semiconductor intrínseco se

generarán en forma continua pares ”hueco-electrón”, pero los electrones libres pueden

ocupar los huecos de otros pares neutralizándolos. O sea que en un semiconductor

intrínseco a temperatura de trabajo habrá una tasa de generación de pares hueco-electrón

y habrá una tasa de recombinación . Si el sistema está en equilibrio la tasa de generación

es igual a la tasa de recombinación. El semiconductor intrínseco es entonces un ente de

equilibrio interno dinámico.

Los electrones libres y los huecos reciben el nombre de portadores, por lo tanto habrá

portadores positivos y portadores negativos.

Impurezas.-

En la práctica los semiconductores no se emplean en su carácter intrínseco sino que se

le agregan en cantidades muy pequeñas partículas llamadas impurezas. estas impurezas

pueden ser de dos tipos :

a) con 5 electrones orbitales como el antimonio y el arsénico(grupo 5).

b) con 3 electrones orbitales como el galio y el indio (grupo 3).

Las impurezas con cinco electrones orbitales al insertarse en un semiconductor

intrínseco en la unión covalente con los átomos vecinos deja un electrón libre mientras

que las impurezas con tres electrones orbitales dejan un hueco libre como se muestra en

la figura 3.

+ 4

+ 4 + 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4 + 4

+ 4

+ 4

+ 4

+ 4

+ 5

Im p u re z a

+ 4

+ 4 + 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4 + 4

+ 4

+ 4

+ 4

+ 4

+ 3

I m p u r e z a

tipo N tipo P

fig. 3

Cuando se incorporan impurezas del grupo 5, en el semiconductor queda un exceso

de electrones libres o portadores negativos. Por esta razón a éste se le llama

semiconductor tipo N

Cuando se incorporan impurezas del grupo 3, en el semiconductor queda un exceso

de huecos o portadores positivos. Por esta razón a éste se le llama semiconductor tipo P.

Unión P-N.-

Si se unen dos cristales de un mismo semiconductor (uno tipo P y el otro tipo N)

como se indica en la figura 4 en donde los huecos o portadores positivos están del lado

izquierdo y los electrones o portadores negativos están del lado derecho.

+ + + + + + + - - - - - - -

+ + + + + + + - - - - - - -

+ + + + + + + - - - - - - -

+ + + + + + + - - - - - - -

+ + + + + + + - - - - - - -

+ + + + + + + - - - - - - -

+

-

h u e c o

e le c tr ó n lib r e

d o n a d o r e s

c a rg a d o s

p o s itiv a m e n te

d o n a d o r e s

c a rg a d o s

n e g a tiv a m e n te

P N

fig. 4

Los electrones libres y los huecos se encuentran, bajo las influencia de la

temperatura del cristal, en continuo movimiento. Debido a ello tienden a distribuirse

uniformemente por todo el cristal. Los huecos que en un principio prácticamente sólo se

encuentran en el cristal de la izquierda de conducción P , tienden en parte a desplazarse

hacia la derecha pasando al sector de conducción N, y una parte de los electrones libres

intentan pasar del sector derecho de conducción N al izquierdo de conducción P

Este fenómeno se denomina difusión y a la corriente vinculada se la

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