SEMICONDUCTORES

SEMICONDUCTORES DOPADOS

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.

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.

Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer, desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se le denomina recombinación. Sucede que, 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. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:

ni = n = p

siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del tipo de elemento.

Ejemplos de valores de ni a temperatura ambiente (27 ºC):

ni(Si) = 1.5 1010cm-3

ni(Ge) = 1.73 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.

En la producción de

semiconductores, se denomina

dopaje al proceso intencional de

agregar impurezas en un

semiconductor extremadamente

puro (también referido como

intrínseco) con el fin de cambiar sus

propiedades eléctricas. Las

impurezas utilizadas dependen del

tipo de semiconductores a dopar. A

los semiconductores con dopajes

ligeros y moderados se los conoce

como extrínsecos. Un

semiconductor altamente dopado,

que actúa más como un conductor

que como un semiconductor, es

llamado degenerado.

Tipo NSe llama material tipo N al que posee átomos de impurezas que permiten la aparición de electrones sin huecos asociados a los mismos. Los átomos de este tipo se llaman donantes ya que "donan" o entregan electrones. Suelen ser de valencia cinco, como el Arsénico y el Fósforo. De esta forma, no se ha desbalanceado la neutralidad eléctrica, ya que el átomo introducido al semiconductor es neutro, pero posee un electrón no ligado, a diferencia de los átomos que conforman la estructura original, por lo que la energía necesaria para separarlo del átomo será menor que la necesitada para romper una ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor original). Finalmente, existirán más electrones que huecos, por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los últimos los minoritarios. La cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.

Tipo PSe llama así al material que tiene átomos de impurezas que permiten la formación de huecos sin que aparezcan electrones asociados a los mismos, como ocurre al romperse una ligadura. Los átomos de este tipo se llaman aceptores, ya que "aceptan" o toman un electrón. Suelen ser de valencia tres, como el Aluminio, el Indio o el Galio. Nuevamente, el átomo introducido es neutro, por lo que no modificará la neutralidad eléctrica del cristal, pero debido a que solo tiene tres electrones en su última capa de valencia, aparecerá una ligadura rota, que tenderá a tomar electrones de los átomos próximos, generando finalmente más huecos que electrones, por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los segundos los minoritarios. Al igual que en el material tipo N, la cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.

Dopaje en conductores orgánicos

Los polímeros conductores pueden ser dopados al agregar

reactivos químicos que oxiden (o algunas veces reduzcan)

el sistema, para ceder electrones a las órbitas conductoras

dentro de un sistema potencialmente conductor.

Existen dos formas principales de dopar un polímero

conductor, ambas mediante un proceso de reducción-

oxidación. En el primer método, dopado químico, se

expone un polímero, como la melanina (típicamente una

película delgada), a un oxidante (típicamente yodo o

bromo) o a un agente reductor (típicamente se utilizan

metales alcalinos, aunque esta exposición es bastante

menos común). El segundo método es el dopaje

electroquímico, en la cual un electrodo de trabajo,

revestido con un polímero, es suspendido en una solución

electrolítica, en la cual el polímero es insoluble, junto al

electrodo opuesto, separados ambos. Se crea una

diferencia de potencial eléctrico entre los electrodos, la

cual hace que una carga (y su correspondiente ion del

electrolito) entren en el polímero en la forma de electrones

agregados (dopaje tipo N) o salgan del polímero (dopaje

tipo P), según la polarización utilizada.

La razón por la cual el dopaje tipo N es mucho menos

común es que la atmósfera de la tierra, la cual es rica en

oxígeno, crea un ambiente oxidante. Un polímero tipo N

rico en electrones reaccionaría inmediatamente con el

oxígeno ambiental y se desdoparía (o reoxidaría)

nuevamente el polímero, volviendo a su estado natural.

HistoriaEl dopaje fue desarrollado originalmente

por John Robert Woodland mientras

trabajaba para la Sperry Gyroscope

Company durante la Segunda Guerra

Mundial.1 La demanda de su trabajo

sobre el radar durante la guerra no le

permitió desarrollar más profundamente

la investigación sobre el dopaje, pero

durante la posguerra se generó una gran

demanda iniciada por la compañía Sperry

Rand, al conocerse su importante

aplicación en la fabricación de

transistores.2

El Dopado de Semiconductores

La adición de un pequeño porcentaje de átomos extraños en la red cristalina regular de silicio o germanio, produce unos cambios espectaculares en sus propiedades eléctricas, dando lugar a los semiconductores de tipo n y tipo p.

Impurezas pentavalentes

Los átomos de impurezas con 5 electrones de valencia, producen semiconductores de tipo n, por la contribución de electrones extras.

Impurezas trivalentes

Los átomos de impurezas con 3 electrones de valencia, producen semiconductores de tipo p, por la producción de un "hueco" o deficiencia de electrón.

Bandas en Semiconductores

Dopados

La aplicación de la teoría de bandas a los

semiconductores de tipo n y tipo p

muestra que los niveles adicionales se

han añadido por las impurezas. En el

material de tipo n hay electrones con

niveles de energía cerca de la parte

superior de la banda prohibida, de modo

que pueden ser fácilmente excitados

hacia la banda de conducción. En el

material de tipo p, los huecos adicionales

en la banda prohibida, permiten la

excitación de los electrones de la banda

de valencia, dejando huecos móviles en

la banda de valencia.

Bibliografía:Wikipedia

google

http://hyperphysics.phy-

astr.gsu.edu/hbasees/solids/dope.html

http://www.monografias.com/trabajos11/moti/moti.shtml

http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_se

miconductor_4.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_(semiconductores)

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