Colaborativo No 2 Fisica De Semiconductores

Introducción

El transistor es un gran aporte al campo del desarrollo científico y tecnológico, dado su amplia versatilidad y su gran aplicabilidad en la investigación y desarrollo. Sus fundamentos físicos son fundamentados en las bases de la mecánica cuántica, aprovechando sus concepciones y formulaciones teóricas es posible llevar a la practica elementos prácticos e innovadores como el transistor. La incursión de los transistores sustituyo los tubos al vacio y permitió la reducción de sistemas y diseños electrónicos, siendo estos mas estables y de mayor rendimiento.

HISTORIA Y FUNDAMENTOS FISICOS DEL TRANSISTOR

Una vez que se acabó la segunda Guerra Mundial se inició en los Bell Laboratories, en Estados Unidos, un programa de investigación básica sobre teoría de sólidos. Uno de los resultados de este esfuerzo fue el transistor. En esa época la teoría cuántica, es decir, la teoría física que describe los fenómenos microscópicos ya estaba bien establecida.

La teoría cuántica había abierto la posibilidad de entender las propiedades de los sólidos a partir de su estructura atómica. La dirección de los laboratorios Bell esperaba que a través de un proyecto de investigación interdisciplinaria se adquirieran suficientes conocimientos acerca de los sólidos para diseñar y fabricar materiales que se utilizaran en el desarrollo de nuevos y mejorados componentes y elementos para sistemas de comunicaciones.

Se formó el grupo para investigar los semiconductores, que estuvo integrado por los físicos Walter H. Brattain, William Schockley, John Bardeen, Gerald Pearson y el físico-químico Robert Gibney. Tanto Shockley como Barden habían estudiado a fondo la teoría cuántica mientras que Brattain había llevado un curso de posgrado en la materia.

En 1945 formaron otros grupos de estudio de semiconductores para estar al día en el campo. Se dieron cuenta de que durante la guerra se habían logrado notables avances en la utilización de los semiconductores silicio y germanio como detectores para el radar. Se había tenido que recurrir a estos semiconductores porque en el radar se empleaban señales eléctricas de muy alta frecuencia que los tubos al vacío, con todos los adelantos logrados, no podían manejar adecuadamente. En la primera parte del presente siglo ya se habían usado semiconductores (la galena, por ejemplo) como detectores de ondas electromagnéticas antes del invento del tubo al vacío. Durante la guerra varios laboratorios habían logrado progresos en la comprensión del comportamiento de los semiconductores, así como en la preparación de muestras de silicio y germanio.

Las propiedades eléctricas de las sustancias dependen del grado de libertad que tengan sus electrones. Para esto baste decir que los electrones de los átomos están acomodados alrededor del núcleo en capas, y en cada una hay un número máximo de electrones: dos en la primera capa, ocho en la segunda, 18 en la tercera, etc. Los electrones de un átomo van ocupando sucesivamente las capas, a partir de la interior, hasta llegar a agotar los electrones. Entonces, si un átomo tiene, digamos, ocho electrones (que corresponde al elemento oxígeno), dos ocupan la primera capa y los seis restantes ocupan la segunda; por lo tanto, en el oxígeno la última capa no queda completa. Se muestra un diagrama esquemático de la estructura de capas de los primeros once átomos de la tabla periódica. Así, el litio (Li) tiene solamente un electrón en su capa externa; el boro (B) tiene tres; el carbón, cuatro; el neón, ocho, o sea que queda completa. Con base a estos hechos se construye la tabla periódica de los elementos. En el siglo pasado el ruso Dimitri Mendeléev ideó esta tabla en forma empírica, y que sólo pudo ser explicada con fundamento una vez que se aplicó la mecánica cuántica a la estructura atómica en el presente siglo.

Estructura de las capas electrónicas de algunos átomos.

Los electrones que están en capas completas quedan fuertemente atrapados al átomo, mientras que la atracción es débil para los electrones de la última capa, si ésta no está completa; así, mientras menos electrones haya en la última capa, menor será la fuerza con la que queden atrapados. Por lo tanto, en aquellos elementos con un solo electrón en su última capa, como éste está muy débilmente unido al átomo podrá separarse de él con mucha facilidad, y así este electrón quedará disponible para que el elemento conduzca muy bien electricidad. Átomos con un solo electrón en su capa externa son el sodio, el cobre, la plata, el oro, etc., elementos que son buenos conductores de electricidad.

Los átomos que tienen capas externas llenas de electrones ejercen una fuerte atracción sobre ellos y por tanto no son buenos conductores de electricidad. Para que sirvieran a este propósito se requerirían fuerzas muy elevadas sobre los electrones externos, que implicaría aplicar voltajes muy altos a la sustancia. Los elementos que tienen sus capas externas completas son el helio, el neón, el argón, etc., llamados gases nobles.

Los átomos y moléculas son entes que tienen niveles de energía bien definidos para cada uno de ellos. El estado que tiene el valor más bajo de la energía se llama base, mientras que los estados con valores mayores de la energía se llaman excitados. A la secuencia de niveles mostrada en la figura se le llama el espectro de energía del átomo en cuestión. Distintos átomos tienen diferentes espectros de energía. En cualquier instante el átomo solamente puede tener una de las energías de sus niveles, es decir, el átomo no puede poseer una energía que tenga un valor que se encuentre entre dos valores de sus niveles. Se dice que la energía está cuantizada. Si el átomo experimenta determinado proceso es posible que cambie su energía, por ejemplo, a causa de una colisión con otro átomo, de una descarga eléctrica, de calentamiento, etc. En este caso, el átomo puede pasar del nivel de energía en que se encuentra a otro nivel, por ejemplo pasar del estado base al primer estado excitado, o al segundo, etc., pero solamente puede empezar y terminar en él alguno de sus niveles permitidos. Esto significa que en las transiciones del átomo, los cambios de energía que puede experimentar son iguales a las separaciones (E)1, (E)2 etc., que corresponden a las diferencias de las energías entre cualquier pareja de sus niveles. Así, se dice que hay una transición entre los niveles involucrados. Por otro tipo de motivos que no vienen al caso, puede ocurrir que alguna de estas transiciones esté prohibida.

Espectro de energía de un átomo.

Si la transición es de un nivel bajo a otro superior, se dice que el átomo absorbe energía (igual a la diferencia entre los valores de las energías de dichos niveles); mientras que si pasa de un nivel alto a otro más bajo, se dice que el átomo emite energía (igual a la diferencia entre los valores de las energías de dichos niveles). Lo anterior significa que un átomo solamente puede absorber o emitir energía en cantidades perfectamente determinadas, que son iguales a los valores de las diferencias de las energías entre las parejas de niveles cuyas transiciones sean permitidas.

Hasta este momento hemos hablado solamente de átomos aislados, que no experimentan ninguna fuerza. Sin embargo, cuando los átomos forman un sólido ocurren fenómenos colectivos entre ellos puesto que sus densidades son muy altas, lo que significa que están muy juntos, por lo que las fuerzas que ejercen unos sobre otros son de gran consideración; como consecuencia, los niveles de energía de los electrones se modifican considerablemente. Ahora, en lugar de tener un conjunto de valores bien precisos, se forman intervalos de energías permitidas separados por valores de energía que son prohibidos. En la siguiente figura se muestra un diagrama de la energía de un sólido hipotético. En este caso, los electrones pueden tener energías entre los valores E1 y E2, entre E3 y E4 etc. Sin embargo, no pueden tener energías entre E2 y E3. Al dominio de energías que sí pueden ser adquiridas se les llama bandas permitidas y al dominio en que no pueden tenerlas se les llama bandas prohibidas. Se dice que los sólidos tienen una estructura de bandas. Ahora bien, los electrones que tienen los átomos de un sólido van ocupando las bandas permitidas de abajo hacia arriba consecutivamente, de manera análoga a como lo hacen en átomos aislados. Una vez que se ocupa una banda, los electrones restantes, si es que los hay, empiezan a ocupar la siguiente banda permitida.

En un sólido, el espectro de energía forma bandas tanto permitidas como prohibidas.

Hay varias posibilidades, una de ellas es que los átomos de una sustancia vayan llenando las capas permitidas y que todavía queden electrones que al empezar a ocupar la última banda permitida no la llenen completamente. Los electrones que estén en la última banda incompleta podrán desprenderse de los átomos con mucha facilidad, por tanto, podrán conducir muy bien electricidad y la sustancia es, en consecuencia, un buen conductor de electricidad.

A las bandas que se ocupan completamente se les llama bandas

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