Semiconductores

En la primera parte del presente volumen, al estudiar la naturaleza de los materiales conductores, semiconductores y aislantes, se estableció que:

– Los materiales aislantes se caracterizaban por poseer una Banda Prohibida muy ancha, la cual impedía el paso de electrones de la Banda de Valencia a la de Conducción.

– En los materiales semiconductores, la Banda Prohibida es mucho menos ancha que en los aislantes. Por lo general, a 0º K los materiales semiconductores se comportan como aislantes. Pe ro a medida que aumenta la temperatura lo hace su capacidad de conducción, ya que este aporte de energía sirve para que los electrones puedan saltar de la Banda de Valencia a la de Conducción.

La anchura de la Banda Prohibida condiciona la energía que debe aportarse a los electrones para que pasen de la Banda de Valencia a la de Conducción.

El aporte de energía debe superar los 0,785 eV (Electrón-Voltios) en el caso del
germanio y los 1,21 eV para el silicio.

Aporte de energía semiconductores

Aporte de energía semiconductores

Un Electrón-Voltio es la energía que adquiere un electrón al estar sometido a la acción de un campo eléctrico en un punto cuyo potencial es de un Voltio.

Al saltar de la Banda de Valencia a la de Conducción, los electrones dejan un hueco. Por lo tanto, se establecen dos corrientes: una producida por los electrones
situados en la Banda de Conducción y otra originada por los huecos (en el proceso
de recombinación).

Semiconductores intrínsecos y extrínsecos

* Intrínsecos
Son los semiconductores puros, en los que la conducción se debe al aumento de electrones originado por la temperatura. Los portadores de carga son los electrones y los huecos.

Los semiconductores intrínsecos no presentan impurezas en su estructura, y estan constituidos únicamente por el elemento tetravalente semiconductor (del grupo IV de la tabla periódica): silicio o germanio puro.

La concentración de un semiconductor intrínseco (electrones por cm3) viene expresada por la siguiente igualdad:
ni = n = p
Siendo:
ni = concentración intrínseca.
n = concentración de electrones libres.
p = concentración de huecos.

* Extrínsecos
Son semiconductores impuros. Si en una red cristalina se introducen átomos de impureza, aparecen estados de energía o bandas auxiliares en el interior de la banda prohibida. Estos nue vos niveles contribuyen a la conducción.

Para obtenerlos se recurre al dopado o impurificación del semiconductor -por métodos de difusión o epitaxiales- con elementos penta o trivalentes. La presencia
de estas impurezas se traduce en el aumento del número de portadores de carga.

– Impurezas trivalentes: aceptoras o tipo P (boro, galio, indio, talio).
– Impurezas pentavalentes: donadoras o tipo N (fósforo, arsenio, antimonio, bismuto).

Semiconductores

Semiconductores

Los electrones del semiconductor extrínseco necesitan mucha menos energía para pasar a la Banda de Conducción.

Liberación de un electrón en los semiconductores intrínsecos

Las uniones entre los átomos de un semiconductor intrínseco se efectúan a base de enlaces covalentes. Cada átomo comparte sus cuatro electrones con otros cuatro átomos, de este modo ad quieren una configuración estable con ocho átomos en la última capa.

A cero grados Kelvin no existe agitación ni energía térmica. Así pues, todos los electrones están formando covalencias, o lo que es lo mismo, está en la Banda de Valencia. Por consiguiente, el semiconductor actúa como si se tratara de un aislante.

A temperatura ambiente los electrones adquieren energía debido a la agitación térmica. Algunos de ellos se liberan del enlace y el material se constituye en conductor. Estos electrones liberados actúan como portadores de cargas. Se dice que estos electrones liberados del enlace pasan a la Banda de Conducción.

Liberación del electrón

Liberación del electrón

Al irse el electrón de enlace, es decir, al pasar de la Banda de Valencia a la de Conducción deja un lugar, denominado hueco, capaz de ser ocupado por otro electrón.

* Huecos
El hueco representa la ausencia de un electrón. Debido a sus propiedades y cometido suele establecerse su equivalencia con una carga positiva, si bien, el hueco no tiene estrictamente una naturaleza real.

Por efecto de los huecos, el proceso de liberación de un electrón da lugar a la existencia de dos tipos de transporte de cargas, opuestos en sentido de desplazamiento y aditivos en cuanto a efecto.

Semiconductores huecos

Semiconductores huecos

* Portadores de carga que originan la corriente
– Electrones (e-) en la Banda de Conducción.
– Huecos (h+) en la Banda de Valencia.

Semiconductores de tipo N

Si un material semiconductor -como el germanio o silicio- es dopado con un elemento pentavalente (elementos cuyos átomos tienen cinco electrones en la última capa), se obtiene una estructura semejante a la representada en la figura:

De los cinco electrones que aporta la impureza, cuatro formarán enlace covalente, mientras que un electrón quedará libre en la Banda de Conducción. En esta situación, el número de electrones supera al número de huecos y el semiconductor se denomina de tipo N.

La impurificación con elementos pentavalentes (donadores) crea en el semiconductor una banda auxiliar de electrones, situada junto a la Banda de Conducción, que recibe el nombre de nivel de energia donador. De esta forma, con muy poca energía que se suministre, los electrones de la banda suplementaria pasarán a la Banda de Conducción.

Portadores de carga en un semiconductor de tipo N
– Portadores mayoritarios: Electrones (e-) = n.
– Portadores minoritarios: Huecos (h+) = p.

Semiconductores de tipo P
Si el dopado se realiza con un elemento trivalente (elementos del grupo III que sólo tienen tres electrones en la última capa, por ejemplo boro, aluminio, galio, indio o talio), la estructura será se mejante a la reflejada en la figura:

Al introducir impurezas de esta índole es como si en realidad se aportaran huecos, puesto que se originará un defecto de electrones. Como quiera que el semiconductor es un elemento tetravalente, al elemento impurificador trivalente le faltará un electrón para realizar la covalencia con el semiconductor; por lo tanto, habrá un hueco en la Banda de Valencia disponible para establecer la conducción.

Estos semiconductores, dopados con impurezas trivalentes o aceptoras, son los denominados de tipo P. Las impurezas crean una banda suplementaria: el llamado nivel de energía aceptor.

Semiconductor de tipo P dopado con indio

Portadores de carga en un semiconductor de tipo P
– Portadores mayoritarios: Huecos (h+) = p.
– Portadores minoritarios: Electrones (e-) = n.

Movilidad en los semiconductores

En ausencia de campo eléctrico, los electrones de la Banda de Conducción están en continuo movimiento errático, volviendo al lugar de origen; por consiguiente, no hay transporte de carga.

Cuando estos electrones están sometidos a la acción de un campo eléctrico, se desplazan en el sentido opuesto al campo. En su movimiento el electrón es frenado por constantes choques.

* La velocidad media de arrastre de los electrones, vn se define según la siguiente fórmula:
vn = μn · E
* μn es la movilidad del electrón, la cual se expresa en m2/volt x seg.
* Análogamente en el caso de los huecos, cuya velocidad media de arrastre es proporcional a la movilidad de los huecos y a la energía:
vp = μp · E
En su sentido físico, la movilidad determina el espacio libre que tienen los portadores antes de chocar.
La nube electrónica está en continuo movimiento chocando con los iones pesados, la distancia media entre los choques se denomina camino libre o camino medio.

Conductividad en los semiconductores

La conductividad de una concentración de n electrones por unidad de volumen viene dada por:
s = e · mn · n (W · unidad de longitud)-1
– En los conductores la única conductividad que se considera es la debida a los electrones.
– En los semiconductores, además de los electrones existen otros portadores: los huecos; luego la corriente de arrastre total será la debida a los electrones, más la debida a los huecos:
J = Je + Jh (A/unidad de superficie)
Como quiera que:
Je = n · e · μn · E y Jn = p · e · μp · E
donde μn y μp representan la movilidad de los electrones y huecos, respectivamente; resulta:
J = Je + Jn = n · e · μn · E + p · e · μp · E = e (n · μn + p · μp) E = E
de donde cabe deducir la conductividad total en un semiconductor:
s = sn + sp = e (mn · n + mp · p)

Siendo:
s = conductividad.
n = concentración de electrones libres (electrones/m3).
p = concentración de huecos libres (huecos/m3).
La resistividad de un material se define como la inversa de su conductividad, luego:
r = 1 / s
Valores típicos de la resistividad son:
Buenos conductores: r = 10-6 a 10-5 W · cm.
Semiconductores: r = 10-3 a 109 W · cm.
Aislantes: r > 109 W · cm.

Portadores de carga en los semiconductores

Los portadores de carga en los semiconductores son los electrones y los huecos.
El producto de la concentración de electrones libres por la correspondiente de huecos es una constante para cada material:
n·p = n2i
n = número de electrones libres por unidad de volumen.
p = número de huecos por unidad de volumen.
ni = número de electrones libres por unidad de volumen para el semiconductor.
– La concentración volumétrica en los semiconductores intrínsecos, en los que el número de electrones libres coincide con el número de huecos, satisface la siguiente igualdad:
n = p
– En los semiconductores de tipo P, dopados con impurezas pentavalentes (donadoras), el número de electrones es superior al de huecos. En ellos:
n = p + ND
Siendo: ND = átomos donadores por unidad de volumen.
– En los semiconductores dopados con impurezas trivalentes (aceptoras), el número de huecos supera al de electrones. En tal caso:
p = n + NA
Siendo: NA = átomos aceptores por unidad de volumen.
– En el caso general en el que el semiconductor está impurificado con impurezas aceptoras y donadoras, se cumple la denominada ecuación de neutralidad de carga:
n + NA = P + ND

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