SemiconductoresJavier Juan Castro Sánchez

Semiconductores

Semiconductor es un elemento 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.

Los elementos químicos semiconductores de

la tabla periódica se indican en la tabla

adjunta.

El elemento semiconductor más usado es el silicio,

el segundo el germanio, aunque idéntico

comportamiento presentan las combinaciones de

elementos de los grupos 12 y 13 con los de los

grupos 14 y 15 respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl,

TeCd, SeCd y SCd). Posteriormente se ha

comenzado a emplear también el azufre.

La característica común a todos ellos es que son

tetravalentes, teniendo el silicio una configuración

electrónica s²p².

Los semiconductores son uno de los adelantos tecnológicos que más relevancia han tenido en este siglo principalmente por haber permitido un desarrollo extremo de la electrónica general. Su antecesor, el tubo termoiónico o válvula de vacío es un dispositivo caro, grande, frágil, lento y que requiere un consumo de potencia no despreciable sólo para hacerlo funcionar.

Con él nunca se hubiesen podido alcanzar niveles que a día de hoy nos parecen de lo más normal como integrar decenas de millones de transistores en el tamaño de una uña, y esto se debe al bajo precio, reducido tamaño y bajo consumo que permite la tecnología de los semiconductores.

En el diseño electrónico siempre

existen fenómenos que alejan a los

componentes de su

comportamiento teórico, se suelen

denominar efectos parásitos y no es

posible sacar el máximo partido de

un diseño sin conocerlos. Incluso en

el campo digital, la

implementación está sujeta a

fenómenos analógicos que si no se

tienen en cuenta impedirán un

correcto funcionamiento.

Niveles energéticos

Las bandas energéticas de un átomo marcan los lugares donde es posible que se encuentren los electrones. Las bandas más próximas al átomo se llaman bandas de valencia y en ellas los átomos están fuertemente ligados al núcleo por fuerzas eléctricas. En el exterior la fuerza eléctrica es menor y además se tiene la repulsión eléctrica de los electrones de la capa de valencia, por lo que en esta banda los electrónes están débilmente ligados al átomo. Esta capa se denomina capa de conducción. En medio puede existir una banda denominada de energía prohibida, donde si hubiese un electrón inevitablemente caería a la capa de valencia (en caso de estar incompleta) o sería expulsado a la capa de conducción.

Semiconductores

Intrínsecos Semiconductores intrínsecos

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.

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 = psiendo 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-3ni(Ge) = 1.72 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.

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.

Al tipo de semiconductores mencionado anteriormente se le denomina semiconductor intrínseco, porque sólo posee un tipo de átomos que están en equilibrio eléctrico.

En los semiconductores intrínsecos, cuando se aumenta la temperatura la vibración de las partículas puede romper los enlaces covalentes.

Los electrones pueden adquirir suficiente energía como para escapar de los enlaces covalentes y convertirse en un electrónes libres.

Para abandonar la capa de valencia y situarse en la capa de conducción, es decir, que térmicamente pueden generarse electrones y las ausencias de electrones en la capa de valencia, denominados huecos.

Semiconductores

Extrínsecos Si a un semiconductor intrínseco, como el

anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado.

Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio.

Hoy en día se han logrado añadir impurezas de una parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificación del material.

Los semiconductores extrínsecos son

aquellos a los que se les añaden

impurezas (proceso de dopado), que son

átomos pentavalentes o trivalentes.

Que tendrán exceso o defecto de

electrones; en los que llevan impurezas

pentavalentes habrá exceso de

electrones y se les denomina de tipo N;

quedarán ligados al átomo pero no hará

falta mucha energía para arrancar ese

electrón.

Semiconductores Dopados 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.

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.

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

Ahora bien, 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

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 estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas.

Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores.

Semiconductor tipo P