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SEMICONDUCTORES

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APUNTES DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
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¿Que son los Semiconductores? 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 son aquellos elementos perteneciente al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio,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.

Fig. 1. ---Disposición esquemática de los átomos de un serniconductor de silicio puro, No existen electrones ni huecos libres

La disposición esquemática de los átomos para un semiconductor de silicio podemos observarla en la figura 1, Las regiones sombreadas representan la carga positiva neta de los núcleos y los puntos negros son los electrones, menos unidos a los mismos. La fuerza que mantiene unidos a los átomos entre sí es el resultado del hecho de que los electrones de conducción de cada uno de ellos, son cornpartidos por los cuatro átomos vecinos.

A temperaturas bajas la estructura normal es la que se muestra en la figura 1 en la cual no se observa ningún electrón ni hueco libre y por tanto el semiconductor se comporta como un aislante.

Fig 2. ---El aumento de temperatura rompe algunas uniones entre átomos liberándose un cierto número de electrones.

En cambio, a la temperatura ambiente (20-25 grados C.) algunas de las fuertes uniones entre los átomos se rompen debido al calentamiento del semiconductor y como consecuencia de ello algunos de los electrones pasan a ser libres. En la figura siguiente se representa esta situación. La ausencia del electrón que pertenecía a la unión de dos átomos de silicio se representa por un círculo,

La forma en que los huecos contribuyen a la corriente, se detalla seguidamente Cuando un electrón puede vencer la fuerza que le mantiene ligado al núcleo y por tanto abandona su posición, aparece un hueco, y le resulta relativamente fácil al electrón del átomo vecino dejar su lugar para llenar este hueco. Este electrón que deja su sitio para llenar un hueco, deja a su vez otro hueco en su posición inicial, De esta manera el hueco contribuye a la corriente lo mismo que el electrón, con una trayectoria de sentido opuesto a la de éste.

Semiconductores Intrínsecos o puros, Impurezas dadoras o donadoras e Impurezas aceptadoras.

Se denomina semiconductor puro aquél en que los átomos que lo constituyen son todos del mismo tipo (por ejemplo de germanio), es decir no tiene ninguna clase de impureza.

Si a un semiconductor puro como el silicio o el germanio, se le añade una pequeña cantidad de átomos distintos (por ejemplo arsénico, fósforo, etc). se transforma en un semiconductor impuro.

A las impurezas se las clasifica en donadoras y aceptoras. Si a la estructura del semiconductor de silicio se le añade alguna impureza, como puede ser el arsénico (As), que tiene cinco electrones externos ligados al núcleo con carga positiva +5.

Cuatro de los cinco electrones del átorno de arsénico se unirán a los correspondientes electrones de los cuatro átomos de silicio vecinos, y el quinto quedará inicialmente libre, sin una posible unión, y por tanto se convertirá en un portador de corriente. A este tipo de impurezas que entregan electrones portadores (negativos) se los denomina donadores o del tipo «n».

En un semiconductor con impurezas del tipo n, no sólo aumenta el número de electrones sino que también la cantidad de huecos disminuye por debajo del que tenía el semiconductor puro. La causa de esta disminución se debe a que una parte de los electrones libres llena algunos de los huecos existentes.

Si al semiconductor puro de silicio se le añade algún tipo de impureza que tenga tres electrones externos, solo podrá formar tres uniones completas con los átomos de silicio, y la unión incompleta dará lugar a un hueco.

Este tipo de impurezas proporcionan entonces portadores positivos, ya que crean huecos que pueden aceptar electrones; por consiguiente son conocidos con el nombre de aceptores, o impurezas del tipo «p». Al contrario de lo que sucedía antes en el tipo n en un semiconductor con impurezas de tipo p los portadores que disminuyen son los electrones en comparación, con los que tenía el semiconductor puro.

A los semiconductores que contengan ya sea impurezas donadoras o aceptoras, se les llama respectivamente de tipo n o p. En un semiconductor del tipo n, los electrones se denominan portadores mayoritarios y los huecos portadores minontarios. En un material de tipo p, los huecos son portadores mayoritarios, y los electrones portadores minoritarios.

DOPADO DEL SILICIO:

Un cristal de silicio puro se conoce como un semiconductor intrínseco. En la mayor parte de las aplicaciones, no hay suficientes electrones libres y huecos en un semiconductor intrínseco para producir una corriente útil. La impurificación consiste en agregar átomos de impurezas al cristal, para aumentar ya sea su numero de electrones libres o de huecos. Cuando un cristal ha sido dopado, se denomina semiconductor extrínseco.

Hay dos tipos de impurezas: una que produce un exceso de portadores de cargas negativas y la otra un exceso de huecos o portadores de cargas positivas.

SEMICONDUCTOR TIPO n:

Para obtener electrones adicionales en la banda de conducción se agregan átomos pentavalentes, que tienen 5 electrones en la orbita de valencia. Después de agregar los átomos pentavalentes al cristal puro de silicio, los átomos de este continúan siendo casi los mismos pero ahora se tiene un átomo pentavalente entre 4 vecinos. El átomo pentavalente tiene originalmente 5 electrones en su orbita de valencia, por lo que, después de formar enlaces covalentes con sus vecinos, este átomo central tiene un electrón extra que no interviene en el enlace. Como la orbita de valencia no puede tener a mas de 8 electrones, el electrón adicional debe desplazarse a la orbita de la banda de conducción.

Si se agrega una pequeña cantidad de arsénico o fósforo al silicio, existirá en el material un ligero exceso de cargas negativas.

Esto se debe a que estas sustancias tienen 5 electrones en su orbita externa. El quinto electrón (carga negativa) no puede unirse con ningún átomo y queda flotando como un electrón libre o portador potencial de la corriente.

Este nuevo material obtenido es conocido como un semiconductor tipo N, porque tiene un exceso de cargas negativas.

SEMICONDUCTOR TIPO p:

¿Cómo puede contaminarse un cristal pata tener huecos en exceso? Usando impurezas trivalentes (las que tienen solo tres electrones en su orbita externa).

Después de agregar la impureza, se logra que cada átomo trivalente se encuentre entre cuatro vecinos. Como cada átomo trivalente aporta solo tres electrones de su orbita de valencia, únicamente siete electrones se moverán en esta orbita. En otras palabras, aparece un hueco en cada uno de estos átomos. Al controlar la cantidad de impurezas que se agregan, se puede controlar también él numero de huecos presentes en el cristal contaminado.

Un semiconductor contaminado con impurezas trivalentes se conoce como semiconductor tipo p, en donde p significa positivo.

Cuando se agrega al silicio, boro o galio, habrá una pequeña deficiencia de cargas negativas. Como resultado habrá huecos en el semiconductor.

El hueco puede ser tomado como un lugar cargado positivamente o portador de carga positiva. El material resultante es conocido como un semiconductor de material tipo p.