SEMICONDUCTORES INTRINSECOS YSEMICONDUTORES DOPADOS

Elaborado por Fernando Romero Corrales - Universidad privada Telesup - 2013

Semiconductores IntrínsecosExpliquemos primero que es un Semiconductor es un elemento estequiométrico de inconvergencia estática que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Conociendo lo que es ya un semiconductor profundicemos en el semiconductor intrínsecos.

Es un cristal de Silicio o Germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos. 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. 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 de singadera extrema 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 (27ºc):

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, 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.

Con temperaturas de cero absoluto, los electrones están en los menores estados de energía disponibles. Así, todos los electrones de valencia forman parte de enlaces covalentes, y no son libres de moverse por el cristal. En estas condiciones, el silicioes un aislante eléctrico. Sin embargo, a «temperatura ambiente» (aproximadamente300 °K o 25° C), algunos electrones alcanzan la suficiente energía térmica como para liberarsede sus enlaces. Estos electrones libres pueden moverse con facilidad por el cristal.

En esta situación, si aplicamos tensión al silicio intrínseco, fluirá una corriente. Sin embargo, el número  de electrones libres es relativamente pequeño comparado con el que encontramosen un buen conductor. Por ello, se clasifica el silicio intrínseco como semiconductor.Aunque son los electrones del enlace los que realmente se mueven,  es mejor centrarnos en el vacío que dejan en los huecos. Podemos imaginar un huecocomo un portador de carga positiva que se mueve libremente por el cristal, mientrasque los electrones de enlace sólo pueden moverse si hay algún hueco cercano.En un semiconductor intrínseco, existe un número igual de huecos y electroneslibres que pueden moverse con facilidad por el cristal.Cuando se aplica un campo eléctrico al cristal, ambos tipos de portadores contribuirán al flujo de corriente.

Semiconductores Dopados

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 unconductor que como un semiconductor, es llamado degenerado.El número de átomos dopantes necesitados para crear una diferencia en las capacidades conductoras de un semiconductor es muy pequeña. Cuando se agregan un pequeño número de átomos dopantes (en el orden de 1 cada 100.000.000 de átomos) entonces se dice que el dopajees bajo o ligero. Cuando se agregan muchos más átomos (en el orden de 1 cada 10.000 átomos) entonces se dice que el dopaje es alto o pesado. Este dopaje pesado se representa con la nomenclatura N+ para material de tipo N, o P+ para material de tipo P.

Tipos de materiales dopantes

Tipo N

Se 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.El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje N). En el caso del Fósforo, se dona un electrón.

La adición de impurezas pentavalentes como el antimonio, arsénico, o fósforo, aportan electrones libres, aumentando considerablemente la conductividad del semiconductor intrínseco. El fósforo se puede añadir por difusión del gas fosfina (PH3).

Tipo P

Se 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.El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Boro (P dopaje). En el caso del boro le falta un electrón y, por tanto, es donado un hueco de electrón.

La adición de impurezas trivalentes tales como boro, aluminio, o galio a un semiconductor intrínseco, crean unas deficiencias de electrones de valencia, llamadas "huecos". Lo normal es usar el gas diborano B2H6, para difundir el boro en el material de silicio.

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.

SE HAN DESARROLLADO MUCHOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS UTILIZANDO LAS PROPIEDADES DE TRANSPORTE DE LOS SEMICONDUCTORES; EL USO DE SEMICONDUCTORES EN LA INDUSTRIA ELECTRÓNICA HA AUMENTADO DE FORMA IMPORTANTE. ASÍ, VEREMOS ALGUNAS DE LAS MÁS IMPORTANTES:• TERMISTORES: SE BASAN EN LA PROPIEDAD DE QUE LA CONDUCTIVIDAD DEPENDE DE LA TEMPERATURA PARA MEDIR DICHA TEMPERATURA. TAMBIÉN SE USAN EN OTROS DISPOSITIVOS, COMO EN ALARMAS CONTRA INCENDIO.• TRANSDUCTORES DE PRESIÓN: AL APLICAR PRESIÓN A UN SEMICONDUCTOR, LOS ÁTOMOS SON FORZADOS A ACERCARSE, EL GAP DE ENERGÍA SE ESTRECHA Y LA CONDUCTIVIDAD AUMENTA. MIDIENDO LA CONDUCTIVIDAD, SE PUEDE CONOCER LA PRESIÓN QUE ACTÚA SOBRE ESE MATERIAL.• RECTIFICADORES (DISPOSITIVOS DE UNIÓN TIPO P-N): SE PRODUCEN UNIENDO UN SEMICONDUCTOR TIPO N CON OTRO TIPO P, FORMANDO UNA UNIÓN TIPO P-N. LOS ELECTRONES SE CONCENTRAN EN LA UNIÓN TIPO N Y LOS HUECOS EN LA UNIÓN P. EL DESEQUILIBRIO ELECTRÓNICO RESULTANTE CREA UN VOLTAJE A TRAVÉS DE LA UNIÓN.• TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLAR: UN TRANSISTOR SE PUEDE USAR COMO INTERRUPTOR O COMO AMPLIFICADOR. EL TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR (BJT), SE SUELE UTILIZAR EN UNIDADES DE PROCESAMIENTO CENTRAL DE COMPUTADORAS POR SU RÁPIDA RESPUESTA A LA CONMUTACIÓN.• TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO: UTILIZADO FRECUENTEMENTE PARA ALMACENAR INFORMACIÓN EN LA MEMORIA DE LOS ORDENADORES. EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO (FET), SE COMPORTA DE FORMA ALGO DISTINTA A LOS DE UNIÓN BIPOLAR.