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FISICA ELECTRONICAFISICA ELECTRONICAIV CICLO

Teódulo Andrés Bambarén AlcaláTeódulo Andrés Bambarén Alcalá

SEMICONDUCTORES

- Intrínsecos

- Dopados

SEMICONDUCTORESLos primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron pequeños detectores diodos empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocían como “de galena”. Ese nombre lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra de galena o sulfuro de plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado para sintonizar las emisoras de radio. La sintonización se obtenía moviendo una aguja que tenía dispuesta sobre la superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conocía que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas.

Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos).

Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc.

Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes.

Según su pureza se pueden clasificar en dos tipos:

• Semiconductores intrínsecos• Semiconductores extrínsecos o dopados.

Semiconductores intrínsecos

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.El cristal de silicio es diferente de un aislante porque a cualquier temperatura por encima del cero absoluto, existe una probabilidad finita de que un electrón en la red sea golpeado y sacado de su posición, dejando tras de sí una deficiencia de electrones llamada "hueco".

Si se aplica un voltaje, entonces tanto el electrón como el hueco pueden contribuir a un pequeño flujo de corriente.


La conductividad de un semiconductor puede ser modelada en términos de la teoría de bandas de sólidos. El modelo de banda de un semiconductor sugiere que, a temperaturas ordinarias hay una posibilidad finita de que los electrones pueden alcanzar la banda de conducción, y contribuir a la conducción eléctrica.El término intrínseco aquí, distingue entre las propiedades del silicio puro "intrínseco", y las propiedades radicalmente diferentes del semiconductor dopado tipo n o tipo p.La corriente que fluirá en un semiconductor intrínseco consiste en corriente de ambos electrones y huecos. Es decir, los electrones que han sido liberados de sus posiciones en la red dentro de la banda de conducción, se pueden mover a través del material.Además, otros electrones pueden saltar entre las posiciones de la red para llenar las vacantes dejadas por los electrones liberados. Este mecanismo adicional se llama conducción de huecos, porque es como si los huecos estuvieran emigrando a través del material en dirección opuesta al movimiento de electrones libres.


El flujo de corriente en un semiconductor intrínseco está influenciado por la densidad de estados de energía la cual a su vez, influencia la densidad de electrones en la banda de conducción. Esta corriente es dependiente altamente de la temperatura.La conductividad de un semiconductor puede ser modelada en términos de la teoría de bandas de sólidos. El modelo de banda de un semiconductor sugiere que, a temperaturas ordinarias hay una posibilidad finita de que los electrones pueden alcanzar la banda de conducción, y contribuir a la conducción eléctrica.


Como se puede apreciar en la imagen de la derecha, 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) requeridapor 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 está 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 paracompletar 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 dopados

Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de la pila intentará atraer los electrones y el negativo los huecos favoreciendo así la aparición de una corriente a través del circuito.

Esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos los electrones que podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar el valor de dicha corriente tenemos dos posibilidades:• Aplicar una tensión de valor superior• Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos

desde el exterior.


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 laforma de una oblea de muy poco grosor (entre 0,20 y 0,25 mm aproximadamente), y una anchura de alrededor de medio milímetro pulida como un espejo.Como puede apreciarse en la imagen de la derecha la oblea de silicio es una fina hoja de material semiconductor, generalmente el silicio es usado en la fabricación de circuitos integrados y otros micro-controladores.


Las obleas de silicio actúan como substrato para la fabricación de microcircuitos mediante técnicas de dopado, grabado químico y deposición de varios materiales. Se usan principalmente en la fabricación de dispositivos semiconductores como los circuitos integrados.En la parte superior del grafico a la derecha 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. En la parte inferior aparece la cuarta parte de la oblea conteniendo cientos de minúsculos dados o “chips”, que se pueden obtenerde cada una. Esos chips son los que después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se convertirán en transistores o circuitos integrados.

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.


Otro elemento utilizado como semiconductor, pero en menor propor-ción que el silicio, es el cristal de germanio (Ge).


Los semiconductores dopados son muy utilizados en los paneles solares como componentes de la célula fotovoltaica.

La capa superior de la celda se compone de silicio dopado de tipo n.1 En esta capa, hay un número de electrones libres mayor que una capa de silicio puro, de ahí el nombre del dopaje n, como carga negativa(electrones). El material permanece eléctricamente neutro: es la red cristalina quien tiene globalmente una carga negativa.La capa inferior de la celda se compone de silicio dopado de tipo p.2 Esta capa tiene por lo tanto una cantidad media de electrones libres menor que una capa de silicio puro, los electrones están ligados a la red cristalina que, en consecuencia, está cargada positivamente. La conducción eléctrica está asegurada por los huecos, positivos (p).

Referencias:

• http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_3.htm

• http://www.ecured.cu/index.php/Semiconductores

• http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/dopado.asp

• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/intrin.html#c1

• http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_5.htm

• http://www.esco-tel.com/Paneles_solares_como_funcionan.html

• http://www.uciencia.uma.es/Coleccion-cientifico-tecnica/Informatica/Galeria/Oblea-de-silicio4

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