Semiconductores de Cristales
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SEMICONDUCTORES DE CRISTALES
Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un
conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el
silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros
semiconductores son el germanio y el selenio.
Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones,
denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la que cada
átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos, formando
enlaces covalentes. A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente
energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina,
convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, que han roto el enlace covalente, se les
somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo.
Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un
hueco, que con respecto a los electrones próximos tiene efectos similares a los que provocaría
una carga positiva. Los huecos tienen la misma carga que el electrón pero con signo positivo.
CARACTERÍSTICAS:
Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de
la pila.
Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila.
Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado, siendo constante
en todo momento el número de electrones dentro del cristal de silicio.
Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el conductor exterior sólo
circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica.
Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en órbita exterior ó de valencia. Los
conductores tienen 1 electrón de valencia, los semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones de
valencia.
Los 2 semiconductores que veremos serán el Silicio y el Germanio:
Como vemos los semiconductores se caracterizan por tener una parte interna con carga + 4 y 4
electrones de valencia
CRISTALES DE SILICIO
Al combinarse los átomos de Silicio para formar un sólido, lo hacen formando una estructura
ordenada llamada cristal. Esto se debe a los "Enlaces Covalentes", que son las uniones entre
átomos que se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se crea un equilibrio
de fuerzas que mantiene unidos los átomos de Silicio.
Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente forma:
Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones
de valencia con los átomos vecinos, de tal
manera que tiene 8 electrones en la órbita de
valencia, como se ve en la figura.
La fuerza del enlace covalente es tan grande
porque son 8 los electrones que quedan (aunque
sean compartidos) con cada átomo, gracias a esta
característica los enlaces covalentes son de una
gran solidez.
Los 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados por estar fuertemente unidos en los
átomos
El aumento de la temperatura hace que los átomos en un cristal de silicio vibren dentro de él, a
mayor temperatura mayor será la vibración. Con lo que un electrón se puede liberar de su órbita,
lo que deja un hueco, que a su vez atraerá otro electrón, etc..
A 0 ºK, todos los electrones son ligados. A 300
ºK o más, aparecen electrones libres
Esta unión de un electrón libre y un hueco se
llama "recombinación", y el tiempo entre la
creación y desaparición de un electrón libre se
denomina "tiempo de vida".
Enlace covalente roto: Es cuando tenemos un
hueco, esto es una generación de pares electrón
libre-hueco.
Según un convenio ampliamente aceptado tomaremos la dirección de la
corriente como contraria a la dirección de los electrones libres.
Resumiendo: Dentro de un cristal en todo momento
ocurre esto:
Por la energía térmica se están creando electrones libres y huecos.
Se recombinan otros electrones libres y huecos.
Quedan algunos electrones libres y huecos en un estado intermedio, en el que han sido creados y
todavía no se han recombinado.
SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
Es un semiconductor puro. A temperatura ambiente se comporta como un aislante porque solo
tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la energía térmica.
En un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente
total resultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los
electrones libres y los huecos por pares, por lo tanto hay tantos electrones libres como huecos con
lo que la corriente total es cero.
La tensión aplicada en la figura forzará a los electrones libres a circular hacia la derecha (del
terminal negativo de la pila al positivo) y a los huecos hacia la izquierda.
DOPADO DE UN SEMICONDUCTOR
Para aumentar la conductividad (que sea más conductor) de un SC (Semiconductor), se le suele
dopar o añadir átomos de impurezas a un SC intrínseco, un SC dopado es un SC extrínseco.
CASO 1
Impurezas de valencia 5 (Arsénico, Antimonio, Fósforo). Tenemos un cristal de Silicio dopado
con átomos de valencia 5.
Los átomos de valencia 5 tienen un electrón
de más, así con una temperatura no muy
elevada (a temperatura ambiente por
ejemplo), el 5º electrón se hace electrón libre.
Esto es, como solo se pueden tener 8
electrones en la órbita de valencia, el átomo
pentavalente suelta un electrón que será libre.
Siguen dándose las reacciones anteriores. Si
metemos 1000 átomos de impurezas
tendremos 1000 electrones más los que se
hagan libres por generación térmica (muy
pocos).
A estas impurezas se les llama "Impurezas
Donadoras". El número de electrones libres se llama n (electrones libres/m3).
CASO 2
Impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro, Galio). Tenemos un cristal de Silicio dopado con
átomos de valencia 3.
Los átomos de valencia 3 tienen un electrón
de menos, entonces como nos falta un
electrón tenemos un hueco. Esto es, ese
átomo trivalente tiene 7 electrones en la
órbita de valencia. Al átomo de valencia 3 se
le llama "átomo trivalente" o "Aceptor".
A estas impurezas se les llama "Impurezas
Aceptoras". Hay tantos huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de
generación térmica (muy pocos). El número de huecos se llama p (huecos/m3).
SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
SEMICONDUCTOR TIPO N
Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como
los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de "portadores
mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".
Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del
semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un
hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al
semiconductor y se recombina con el hueco.
Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo
izquierdo del cristal, donde entran al conductor y fluyen
hacia el positivo de la batería
SEMICONDUCTOR TIPO P
Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el
número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores
mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.
Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen
hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan
con los electrones libres del circuito externo.
En el circuito hay también un flujo de portadores
minoritarios. Los electrones libres dentro del
semiconductor circulan de derecha a izquierda.
Como hay muy pocos portadores minoritarios, su
efecto es casi despreciable en este circuito.
PORTADORES MAYORITARIOS Y MINORITARIOS
Cuando existe corriente dentro de un material se ha visto que es debida a electrones moviéndose
hacia un lado y a huecos desplazándose en sentido contrario. Pero las cantidades de unos y otros
no tienen por qué ser iguales ni parecidas, esto depende del material por el que circule la
corriente.
Se llama portadores mayoritarios a quien contribuya al paso de la corriente en "mayor" medida y,
obviamente, los minoritarios serán aquellos que lo hagan en menor medida.
Si se tiene un material tipo N por el que circula corriente, los portadores mayoritarios serán los
electrones que le "sobran" por el dopaje junto con los electrones que "saltan" debido al calor y los
portadores minoritarios serán los huecos producidos al marcharse los electrones de su sitio. Por el
contrario, en un semiconductor tipo P los portadores mayoritarios serán los huecos que tiene en
"exceso" por el dopaje más los huecos que se producen por efecto del calor, mientras que los
portadores
UNIÓN PN
Cuando a un material semiconductor se le introducen impurezas de tipo P por un lado e
impurezas tipo N por otro, se forma una unión PN. Los electrones libres de la región N más
próximos a la región P se difunden en ésta, produciéndose la recombinación con los huecos más
próximos de dicha región. En la región N se crean iones positivos y en la región P se crean iones
negativos. Por el hecho de formar parte de una red cristalina, los iones mencionados están
interaccionados entre sí y, por tanto, no son libres para recombinarse.
Por todo lo anterior, resulta una carga espacial positiva en la región N y otra negativa en la región
P, ambas junto a la unión. Esta distribución de cargas en la unión establece una «barrera de
potencial» que repele los huecos de la región P y los electrones de la región N alejándolos de la
mencionada unión. Una unión PN no conectada a un circuito exterior queda bloqueada y en
equilibrio electrónico a temperatura constante.
POLARIZACIÓN DIRECTA E INVERSA
Existen dos formas de conectar una batería a una unión P- N. Primero conectar el borne positivo
de la batería con el material tipo P y el borne negativo con el material tipo N y la otra conectar el
borne positivo con el material tipo N y el borne negativo con el tipo P. A la primera de ellas se la
denomina polarización directa y a la segunda polarización inversa.
Al polarizar directamente una unión P- N, el polo negativo de la batería está inyectando
electrones al material N, mientras que el polo positivo recibe electrones del lado P
creándose así una corriente eléctrica. Con esta batería se ha conseguido vencer el obstáculo
que se había creado debido a la barrera de potencial existente entre ambos materiales. De
nuevo los electrones y los huecos pueden pasar libremente a través de la frontera.
Sin embargo, al polarizar inversamente una unión P- N no se crea una corriente en sentido
opuesto sino que, curiosamente, no hay corriente alguna. Esto es porque los huecos libres
del tipo P se recombinan con los electrones que proceden del polo negativo de la batería, y
los electrones libres del tipo N son absorbidos por ésta, alejándose tanto huecos como
electrones de la unión: en vez de vencer nuestra barrera de potencial ésta se ha hecho más
grande y no existe corriente; aunque, para ser exactos, sí existe una corriente y esta es la
producida por los portadores minoritarios, pero es demasiado pequeña e inapreciable.