Semiconductores

SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS"

Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente forma:

1. Intrínsecos
2. Extrínsecos

Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción.

Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.

Como se puede observar en la ilustración, en el caso de los semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida es mucho más estrecho en comparación con los materiales aislantes. La energía de salto de banda (Eg) requerida por los electrones para saltar de la banda de valencia a la de conducción es de 1 eV aproximadamente. En los semiconductores de silicio (Si), la energía de salto de banda requerida por los electrones es de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.

Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la ilustración, los átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.


SEMICONDUCTORES "EXTRÍNSECOS"


Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o de germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas".

Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última órbita [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corriente eléctrica.

En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el uso de la industria electrónica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente relativamente barato de obtener. La materia prima empleada para fabricar cristales semiconductores de silicio es la arena, uno de los materiales más abundantes en la naturaleza. En su forma industrial primaria el cristal de silicio tiene la forma de una oblea de muy poco grosor (entre 0,20 y 0,25 mm aproximadamente), pulida como un espejo.

A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea (wafer) o cristal semiconductor de. silicio pulida con brillo de espejo, destinada a la fabricación de transistores y circuitos. integrados. A la derecha aparece la cuarta parte de la oblea conteniendo cientos de. minúsculos dados o “chips”, que se pueden obtener de cada una. Esos chips son los. que después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se convertirán en. transistores o circuitos integrados. Una vez que los chips se han convertido en. transistores o circuitos integrados serán desprendidos de la oblea y colocados dentro. de una cápsula protectora con sus correspondientes conectores externos.

Placa individual de 2 x 2 cm de área, correspondiente a un antiguo diodo de selenio.


El segundo elemento también utilizado como semiconductor, pero en menor proporción que el silicio, es el cristal de germanio (Ge).



Durante mucho tiempo se empleó también el selenio (S) para fabricar diodos semiconductores en forma de placas rectangulares, que combinadas y montadas en una especie de eje se empleaban para rectificar la corriente alterna y convertirla en directa. Hoy en día, además del silicio y el germanio, se emplean también combinaciones de otros elementos semiconductores presentes en la Tabla Periódica.



Entre esas combinaciones se encuentra la formada por el galio (Ga) y el arsénico (As) utilizada para obtener arseniuro de galio (GaAs), material destinado a la fabricación de diodos láser empleados como dispositivos de lectura en CDs de audio.

Lente (señalada con la flecha) detrás de la cual se encuentra instalado un diodo láser de arseniuro de galio (GaAs) empleado para leer datos de texto, presentaciones multimedia o música grabada en un CD. En esta ilustración el. CD se ha sustituido por un disco similar transparente de plástico común.


En el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en estado puro, es decir, como elementos intrínsecos, los electrones de su última órbita tienden a unirse formando "enlaces covalentes", para adoptar una estructura cristalina. Los átomos de cualquier elemento, independientemente de la cantidad de electrones que contengan en su última órbita, tratan siempre de completarla con un máximo de ocho, ya sea donándolos o aceptándolos, según el número de valencia que le corresponda a cada átomo en específico.

Con respecto a los elementos semiconductores, que poseen sólo cuatro electrones en su última órbita, sus átomos tienden a agruparse formando enlaces covalentes, compartiendo entre sí los cuatro electrones que cada uno posee, según la tendencia de completar ocho en su órbita externa. Al agruparse de esa forma para crear un cuerpo sólido, los átomos del elemento semiconductor adquieren una estructura cristalina, semejante a una celosía. En su estado puro, como ya se mencionó anteriormente, esa estructura no conduce la electricidad, por lo que esos cuerpos semiconductores se comportan como aislantes.

CONVERSIÓN DEL SILICIO EN SEMICONDUCTOR "TIPO-N" O EN "TIPO-P"

Tanto los cristales de silicio (Si) como los de germanio (Ge) en estado puro se pueden convertir en dispositivos semiconductores, capaces de conducir la corriente eléctrica si para ello alteramos su estructura molecular cristalina introduciendo ciertas cantidades de "impurezas".

Para realizar ese cambio será necesario introducir átomos de otros elementos semiconductores apropiados que posean tres electrones en su banda de valencia o última órbita (átomos trivalentes) o también cinco electrones en esa propia órbita (átomos pentavalentes). A tales efectos se consideran impurezas los siguientes elementos con átomos trivalentes: aluminio (Al), galio (Ga) e indio (In). También se consideran impurezas los átomos pentavalentes de arsénico (As), fósforo (P) o de antimonio (Sb).

Cuando añadimos a la estructura cristalina del silicio o del germanio una pequeña cantidad de átomos de un elemento pentavalente en función de “impurezas”, estos átomos adicionales reciben el nombre de "donantes", porque cada uno dona o cede uno de sus cinco electrones a la estructura cristalina del semiconductor. Si, por el contrario, los átomos que se añaden como impurezas son trivalentes, se denominan entonces "aceptantes”, porque cada uno tendrá que captar o aceptar un electrón procedente de la propia estructura cristalina del silicio o del germanio.

La conductividad que presente finalmente un semiconductor “dopado” dependerá de la cantidad de impurezas que contenga en su estructura cristalina. Generalmente para una proporción de un átomo de impureza que se añade por cada 100 millones de átomos del elemento semiconductor, la conductividad aumenta en 16 veces.

SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-N"

Como ya conocemos, ni los átomos de silicio, ni los de germanio en su forma cristalina ceden ni aceptan electrones en su última órbita; por tanto, no permiten la circulación de la corriente eléctrica, por tanto, se comportan como materiales aislantes.

Pero si la estructura cristalina de uno de esos elementos semiconductores la dopamos añadiéndole una pequeña cantidad de impurezas provenientes de átomos de un metaloide como, por ejemplo, antimonio (Sb) (elemento perteneciente los elementos semiconductores del Grupo Va de la Tabla Periódica, con cinco electrones en su última órbita o banda de valencia), estos átomos se integrarán a la estructura del silicio y compartirán cuatro de sus cinco electrones con otros cuatro pertenecientes a los átomos de silicio o de germanio, mientras que el quinto electrón restante del antimonio, al quedar liberado, se podrá mover libremente dentro de toda la estructura cristalina. De esa forma se crea un semiconductor extrínseco tipo-N, o negativo, debido al exceso de electrones libres existentes dentro de la estructura cristalina del material semiconductor.

Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si) formando una celosía. Como se puede observar, esta estructura se ha dopado añadiendo átomos de antimonio (Sb) para crear un material semiconductor “extrínseco”. Los átomos de silicio (con cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia) se unen formando enlaces covalentes con los átomos de antimonio (con cinco en su última órbita banda de valencia). En esa unión quedará un electrón libre dentro de la estructura cristalina del silicio por cada átomo de antimonio que se haya añadido. De esa forma el cristal. de silicio se convierte en material semiconductor tipo-N (negativo) debido al exceso electrones libres con cargas negativas presentes en esa estructura.


Si a un semiconductor tipo-N le aplicamos una diferencia de potencial o corriente eléctrica en sus extremos, los electrones libres portadores de cargas negativas contenidos en la sustancia impura aumentan. Bajo esas condiciones es posible establecer un flujo de corriente electrónica a través de la estructura cristalina del semiconductor si le aplicamos una diferencia de potencia o corriente eléctrica.

No obstante, la posibilidad de que al aplicárseles una corriente eléctrica los electrones se puedan mover libremente a través de la estructura atómica de un elemento semiconductor es mucho más limitada que cuando la corriente fluye por un cuerpo metálico buen conductor.

SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-P"

Si en lugar de introducir átomos pentavalentes al cristal de silicio o de germanio lo dopamos añadiéndoles átomos o impurezas trivalentes como de galio (Ga) (elemento perteneciente al Grupo IIIa de la Tabla Periódica con tres electrones en su última órbita o banda de valencia), al unirse esa impureza en enlace covalente con los átomos de silicio quedará un hueco o agujero, debido a que faltará un electrón en cada uno de sus átomos para completar los ocho en su última órbita. En este caso, el átomo de galio tendrá que captar los electrones faltantes, que normalmente los aportarán los átomos de silicio, como una forma de compensar las cargas eléctricas. De esa forma el material adquiere propiedades conductoras y se convierte en un semiconductor extrínseco dopado tipo-P (positivo), o aceptante, debido al exceso de cargas positivas que provoca la falta de electrones en los huecos o agujeros que quedan en su estructura cristalina.

Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si). que forman, como en el caso anterior, una celosía, dopada. ahora con átomos de galio (Ga) para formar un. semiconductor “extrínseco”. Como se puede observar en. la. ilustración, los átomos de silicio (con cuatro electrones en. la. última órbita o banda de valencia) se unen formando. enlaces covalente con los átomos de galio (con tres. electrones en su banda de valencia). En esas condiciones. quedará un hueco con defecto de electrones en la. estructura. cristalina de silicio, convirtiéndolo en un. semiconductor tipo-P (positivo) provocado por el defecto de. electrones en la estructura.

MECANISMO DE CONDUCCIÓN DE UN SEMICONDUCTOR

Cuando a un elemento semiconductor le aplicamos una diferencia de potencial o corriente eléctrica, se producen dos flujos contrapuestos: uno producido por el movimiento de electrones libres que saltan a la “banda de conducción” y otro por el movimiento de los huecos que quedan en la “banda de valencia” cuando los electrones saltan a la banda de conducción.

Cuando aplicamos una diferencia de potencial a un. elemento semiconductor, se establece una. “corriente de electrones” en un sentido y otra. “corriente de huecos” en sentido opuesto.


Si analizamos el movimiento que se produce dentro de la estructura cristalina del elemento semiconductor, notaremos que mientras los electrones se mueven en una dirección, los huecos o agujeros se mueven en sentido inverso. Por tanto, el mecanismo de conducción de un elemento semiconductor consiste en mover cargas negativas (electrones) en un sentido y cargas positivas (huecos o agujeros) en sentido opuesto.

Ese mecanismo de movimiento se denomina "conducción propia del semiconductor", que para las cargas negativas (o de electrones) será "conducción N", mientras que para las cargas positivas (de huecos o agujeros), será "conducción P".


Nombre: Edymar Gonzalez A

EES

http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_9.htm