SEMICONDUCTORES

Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza poseencaracterísticas diferentes, agrupadas todas en la denominada “Tabla deElementos Químicos”. Desde el punto de vista eléctrico, todos los cuerpossimples o compuestos formados por estos elementos se pueden dividir en tresamplias categorías:

- Conductores

- Aislantes

-Semiconductores

INTRODUCCIÓN

. MATERIALES CONDUCTORES

A diferencia de los cuerpos metálicos buenos conductores de lacorriente eléctrica, existen otros como el aire, la porcelana, el cristal,la mica, la ebonita, las resinas sintéticas, los plásticos, etc., queofrecen una alta resistencia a su paso. Esos materiales se conocencomo aislantes o dieléctricos.

. MATERIALES AISLANTES O DIELECTRICOS

Los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. En la foto izquierda. sepueden observar diferentes materiales aislantes de plástico utilizados comúnmente en las cajas de. conexióny en otros elementos propios de las instalaciones eléctricas domésticas de baja tensión, así. como el PVC(PolyVinyl Chloride – Policloruro de Vinilo) empleado como revestimiento en los cables. conductores. En lafoto de la derecha aparece, señalado con una flecha roja, un aislante de vidrio. utilizado en las torresexternas de distribución eléctrica de alta tensión.

Al contrario de lo que ocurre con los átomos de los metales, que ceden suselectrones con facilidad y conducen bien la corriente eléctrica, los de los elementosaislantes poseen entre cinco y siete electrones fuertemente ligados a su últimaórbita, lo que les impide cederlos. Esa característica los convierte en malosconductores de la electricidad, o no la conducen en absoluto.

En los materiales aislantes, la banda de conducción seencuentra prácticamente vacía de portadores decargas eléctricas o electrones, mientras que la bandade valencia está completamente llena de estos.

Como ya conocemos, en medio de esas dos bandasse encuentra la “banda prohibida”, cuya misión esimpedir que los electrones de valencia, situados en laúltima órbita del átomo, se exciten y salten a la bandade conducción.

La energía propia de los electrones de valencia equivale a unos 0,03 eV(electronvolt) aproximadamente, cifra muy por debajo de los 6 a 10 eV de energíade salto de banda (Eg) que requerirían poseer los electrones para atravesar elancho de la banda prohibida en los materiales aislantes.

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

En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertoscristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctricavariaba cuando el material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo aldesarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares. Posteriormente, en 1947 William Shockley,investigador también de los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden,desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron“transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica moderna.

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

MATERIALES SEMICONDUCTORES

Lugar que ocupan en la Tabla Periódica los trece elementos con. características desemiconductores, identificados con su correspondiente. número atómico y grupo al quepertenecen. Los que aparecen con fondo.

gris corresponden a “metales”, los de fondo verde a “metaloides” y los de. fondo azul a “nometales”.

Esos elementos semiconductores que aparecen dispuestos en la Tabla Periódicaconstituyen la materia prima principal, en especial el silicio (Si), para fabricar diodosdetectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados ymicroprocesadores.

Los átomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cincoelectrones en su última órbita, de acuerdo con el elemento específico al quepertenecen. No obstante, los elementos más utilizados por la industria electrónica,como el silicio (Si) y el germanio (Ge), poseen solamente cuatro electrones en su últimaórbita. En este caso, el equilibrio eléctrico que proporciona la estructura molecularcristalina característica de esos átomos en estado puro no les permite ceder, ni captarelectrones. Normalmente los átomos de los elementos semiconductores se unenformando enlaces covalentes y no permiten que la corriente eléctrica fluya a través desus cuerpos cuando se les aplica una diferencia de potencial o corriente eléctrica. Enesas condiciones, al no presentar conductividad eléctrica alguna, se comportan deforma similar a un material aislante.

Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor

La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales semiconductores depende engran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, laresistencia al paso de la corriente también aumenta, disminuyendo la conductividad. Todo lo contrario ocurrecon los elementos semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad tambiénaumenta.

En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los siguientesmétodos:

- Elevación de su temperatura

- Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina

- Incrementando la iluminación.

TABLA DE ELEMENTOS SEMICONDUCTORES

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

- Intrínsecos

- 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 esecaso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar labanda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes enla banda de conducción.

Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductorintrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes ala banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre losmismos. 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 dela propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con elpaso de una corriente eléctrica.

SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS"

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

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

•Cristales sin impurezas ni defectos en la red (idealmente, claro)• Conforme la temperatura aumenta, hay generación de pares electrón-hueco•Obviamente, n = p = ni

• ni varía exponencialmente con la temperatura

Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce ciertaalteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica porsu cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura molecular delsemiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o de germanio con pequeñascantidades de átomos de otros elementos o "impurezas".

Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementossemiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [comoel 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 seconvierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corrienteeléctrica.

En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el uso de laindustria electrónica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente relativamente baratode obtener. La materia prima empleada para fabricar cristales semiconductores de silicio esla arena, uno de los materiales más abundantes en la naturaleza. En su forma industrialprimaria el cristal de silicio tiene la forma de una oblea de muy poco grosor (entre 0,20 y0,25 mm aproximadamente), pulida como un espejo.

SEMICONDUCTORES "EXTRÍNSECOS"

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

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 fabricardiodos semiconductores en forma de placas rectangulares, que combinadasy montadas en una especie de eje se empleaban para rectificar la corrientealterna y convertirla en directa. Hoy en día, además del silicio y el germanio,se emplean también combinaciones de otros elementos semiconductorespresentes en la Tabla Periódica.

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

Lente (señalada con la flecha) detrás de la cual se encuentra instalado un diodoláser de arseniuro de galio (GaAs) empleado para leer datos de texto,presentaciones multimedia o música grabada en un CD. En esta ilustración el. CD seha 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 elementosintrínsecos, los electrones de su última órbita tienden a unirse formando "enlaces covalentes", para adoptar unaestructura cristalina. Los átomos de cualquier elemento, independientemente de la cantidad de electrones quecontengan en su última órbita, tratan siempre de completarla con un máximo de ocho, ya sea donándolos oaceptándolos, 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, susátomos tienden a agruparse formando enlaces covalentes, compartiendo entre sí los cuatro electrones que cadauno posee, según la tendencia de completar ocho en su órbita externa. Al agruparse de esa forma para crear uncuerpo sólido, los átomos del elemento semiconductor adquieren una estructura cristalina, semejante a unacelosía. En su estado puro, como ya se mencionó anteriormente, esa estructura no conduce la electricidad, por loque esos cuerpos semiconductores se comportan como aislantes.

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.

SEMICONDUCTOR DOPADO

Si aplicamos una tensión al cristal desilicio, el positivo de la pila intentaráatraer los electrones y el negativo loshuecos favoreciendo así la aparición deuna corriente a través del circuito

Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos los electronesque podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar el valor de dichacorriente tenemos dos posiblidades:

- Aplicar una tensión de valor superior- Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exterior

La primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el valor de la tensión aplicada,la corriente que aparece no es de suficiente valor. La solución elegida es la segunda.En este segundo caso se dice que el semiconductor está "dopado".El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estosúltimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el quese dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores.

- Semiconductor tipo P- Semiconductor tipo N

Sentido del movimiento de un electrón y un hueco en el silicio

Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo deátomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este casopositivos o huecos).Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos delsemiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos delsemiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomotetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones devalencia, tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalinaen el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producidoque se encontrará en condición de aceptar un electrón libre.Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protóndel átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado como una ciertacarga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente laexcitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que loselectrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), quecontienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de maneranatural.

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomosal semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos oelectrones).Cuando se añade el material dopante aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos delsemiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos desus electrones.El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar aentender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen unavalencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicioadyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo 15 de la tabla periódica (ej.fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio,entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da comoresultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente elnúmero de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadoresminoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", sonllamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un iondopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor#Semiconductor_tipo_Phttp://www.ifent.org/Lecciones/semiconductor/tipo-P.asphttp://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=41http://www.geocities.ws/pnavar2/semicon/tipos.htmlhttp://www.youtube.com/watch?v=IMiuD-PNIts