SEMICONDUCTORES

PERCY MAXIMILIANO PAUCAR

SEMICONDUCTORES:

Tienen una banda prohibida de anchura Eg < 2eV Su conductividad tiene un valor intermedio entre el valor de los

metales y el valor de los aislantes.

La conductividad crece con la temperatura:

SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS

Un semiconductor cristalino y sin impurezas ni defectos en su red se denomina intrínseco. A 0 K su BV está llena de electrones, su BC está vacía y su Eg < 2eV. A temperatura de 0 K es un aislante.

En un semiconductor intrínseco la separación entre la banda de valencia y la de conducción es tan pequeña que a la temperatura ambiente algunos electrones ocupan niveles de energía de la banda de conducción.

La ocupación de estos niveles introduce portadores de carga negativa en la banda superior y huecos positivos en la inferior y como resultado, el sólido es conductor.

Un semiconductor, a la temperatura ambiente, presenta, generalmente, una menor conductividad que un metal pues existen pocos electrones y huecos positivos que actúan como portadores. A medida que aumenta la temperatura aumenta la población de los niveles en la banda de conducción y el número de portadores se hace mucho mayor, por lo que la conductividad eléctrica también aumenta.

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.

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.

SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECA

Los semiconductores extrínsecos o dopados son los que se usan en tecnología de semiconductores basados en Ge y Si. Su mecanismo de conducción es diferente de aquel de los semiconductores puros o intrínsecos. Los átomos de impurezas controladas que se usan para dopar, en ppm, forman soluciones sólidas de sustitución en el Si o Ge de estructura diamante.

Un semiconductor extrínseco es aquel en el que se han introducido pequeñas cantidades de una impureza con el objeto de aumentar la conductividad eléctrica del material a la temperatura ambiente.

A este proceso se le conoce como dopado. Así, por ejemplo, el número de portadores negativos (electrones) puede aumentar si se dopa el material con átomos de un elemento que tenga más electrones de valencia que el que compone dicho material semiconductor.

Si se introducen átomos de arsénico ([Ar]4s24p3) en un cristal de silicio ([Ne]3s23p2), se habrá añadido un electrón extra por cada átomo de arsénico que sustituye al de silicio. El efecto del dopado es sustitucional, en el sentido de que el átomo de As sustituye al de silicio en la red cristalina. Los átomos donadores de arsénico, muy alejados unos de otros por la baja concentración de dopado, formarán una banda muy estrecha que se encuentra próxima en energía a la banda de conducción del silicio

“El dopado” consiste en la introducción controlada de impurezas en la red. Se sustituye un elemento por otro que tenga: · Un electrón más de valencia que el sustituido, impureza donadora, que ionizada, genera un electrón móvil por la red.

Un electrón menos de valencia que el sustituido, impureza aceptora, que ionizada, genera un enlace incompleto móvil por la red, que es un portador virtual denominado hueco.

EL PROCESO DE DOPADO se procede en:

Un pequeño porcentaje de átomos del SC intrínseco se sustituye por átomos de otro elemento (impurezas o dopantes).

Estas impurezas sustituyen a los átomos de Silicio en el cristal formando enlaces.

Diagramas del nivel de energía de: a) un conductor, b) Un aislador; c) un semiconductor intrínseco a T = 0 y d) un semiconductor intrínseco a T > 0.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.

ESTRUCTURA DE UN METAL

ESTRUCTURA DE UN SEMICONDUCTOR

MATERIAL EXTRÍNSECO TIPO N:

Impurezas del grupo V de la tabla periódica. Con muy poca energía se ionizan (pierden un electrón).

«Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son Electrones libres»

MATERIAL EXTRÍNSECO TIPO P:

Impurezas del grupo III de la tabla periódica A T=300 K todos los átomos de impureza han captado un

electrón.

«Los portadores mayoritarios de carga en un Huecos libres Átomos de impurezas ioniza semiconductor tipo P son Huecos: Actúan como

portadores de carga positiva.»