Semiconductores intrínsecos[editar]
Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura
tetraédrica similar a la del
carbono mediante
enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la
banda de conducción dejando el correspondiente
hueco en la
banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.
El proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden
caer desde el estado energético correspondiente en la banda de conducción a un hueco en la banda de valencia, liberando así energía. Este fenómeno se conoce como "recombinación". A una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece constante. Sea "n" la concentración de electrones (cargas
negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas
positivas), se cumple entonces que:
- ni = n = p
donde n
i es la
concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del elemento en cuestión.
Ejemplos de valores de n
i a temperatura ambiente (27 ºC):
- ni(Si) = 1.5 1010cm-3
- ni(Ge) = 2.4 1013cm-3
Los electrones y los huecos reciben el nombre de
portadores. En los semiconductores, ambos tipos de portadores contribuyen al paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a
saltar a los huecos próximos (2), originando una
corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.
Semiconductores extrínsecos[editar]
Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de
impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está
dopado. Las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio. Hoy en día se han logrado añadir impurezas de una parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificación del material.
Semiconductor tipo N[editar]
Un
Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de
dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de
portadores de carga libres (en este caso negativos o
electrones).
Cuando se añade el material dopante, aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como
material donante, ya que da algunos de sus electrones.
El propósito del
dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el
dopaje tipo n considérese el caso del
silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una
valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un
enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo 15 de la tabla periódica (ej.
fósforo (P),
arsénico (As) o
antimonio (Sb), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los
portadores mayoritarios y los huecos son los
portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material
dopado tipo N generalmente tiene una
carga eléctrica neta final de cero.
Semiconductor tipo P[editar]
Un
Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de
dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o
huecos).
Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como
material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como
huecos.
El propósito del
dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrará en condición de aceptar un electrón libre.
Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los
portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los
portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los
diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de
boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural
