SEMICONDUCTORES

Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza

poseen características diferentes, agrupadas todas en la denominada

“Tabla de Elementos Químicos”. Desde el punto de vista eléctrico, todos los

cuerpos simples o compuestos formados por estos elementos se pueden

dividir en tres amplias categorías:

Conductores

Aislantes

Semiconductores

ALUMNO: CARLOS E. ZAPATA EUSCATE

CURSO: FISICA ELECTRONCA

ING. DE SISTEMAS

MATERIALES AISLANTES O DIELÉCTRICOS

A diferencia de los cuerpos metálicos buenos conductores de la corriente eléctrica, existen otros

como el aire, la porcelana, el cristal, la mica, la ebonita, las resinas sintéticas, los plásticos, etc.,

que ofrecen una alta resistencia a su paso. Esos materiales se conocen como aislantes o

dieléctricos.

Los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. En la foto

izquierda. se pueden observar diferentes materiales aislantes de plástico utilizados comúnmente en

las cajas de. conexión y 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 la foto de la derecha aparece, señalado con una flecha

roja, un aislante de vidrio. utilizado en las torres externas de distribución eléctrica de alta tensión.

Al contrario de lo que ocurre con los átomos de los metales, que ceden sus electrones con facilidad y

conducen bien la corriente eléctrica, los de los elementos aislantes poseen entre cinco y siete

electrones fuertemente ligados a su última órbita, lo que les impide cederlos. Esa característica los

convierte en malos conductores de la electricidad, o no la conducen en absoluto.

En los materiales aislantes, la banda de conducción

se encuentra prácticamente vacía de portadores de

cargas eléctricas o electrones, mientras que la banda

de valencia está completamente llena de estos.

Como ya conocemos, en medio de esas dos bandas

se encuentra la “banda prohibida”, cuya misión es

impedir que los electrones de valencia, situados en la

última órbita del átomo, se exciten y salten a la

banda de 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 energía de salto de banda (Eg) que

requerirían poseer los electrones para atravesar el ancho de la banda prohibida en los materiales

aislantes.

MATERIALES SEMICONDUCTORES

Los primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron pequeños detectores diodos

empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocían como

“de galena”. Ese nombre lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra de galena o sulfuro de

plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado para sintonizar las emisoras

de radio. La sintonización se obtenía moviendo una aguja que tenía dispuesta sobre la

superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de

radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conocía que misterio encerraba esa piedra

para que pudiera captarlas.

En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos cristales

se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el

material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo 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 cuerpos conductores y

los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo

determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente

eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar

corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar

como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc.

Lugar que ocupan en la Tabla Periódica los trece elementos con.

características de semiconductores, identificados con su

correspondiente. número atómico y grupo al que pertenecen. Los

que aparecen con fondo.

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

los de. fondo azul a “no metales”.

Esos elementos semiconductores que aparecen dispuestos en la Tabla Periódica

constituyen la materia prima principal, en especial el silicio (Si), para fabricar diodos

detectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados y

microprocesadores.

Los átomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco

electrones en su última órbita, de acuerdo con el elemento específico al que pertenecen.

No obstante, los elementos más utilizados por la industria electrónica, como el silicio (Si) y

el germanio (Ge), poseen solamente cuatro electrones en su última órbita. En este caso,

el equilibrio eléctrico que proporciona la estructura molecular cristalina característica de

esos átomos en estado puro no les permite ceder, ni captar electrones. Normalmente los

átomos de los elementos semiconductores se unen formando enlaces covalentes y no

permiten que la corriente eléctrica fluya a través de sus cuerpos cuando se les aplica una

diferencia de potencial o corriente eléctrica. En esas condiciones, al no presentar

conductividad eléctrica alguna, se comportan de forma similar a un material aislante.

TABLA DE ELEMENTOS SEMICONDUCTORES

Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor

La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales semiconductores

depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la

temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente también aumenta, disminuyendo la

conductividad. Todo lo contrario ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras su

temperatura aumenta, la conductividad también aumenta.

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

siguientes métodos:

- Elevación de su temperatura

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

- Incrementando la iluminación.

SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS"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 ese caso, la cantidad de

huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la

cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción.

Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de

los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de

la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. 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 de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule

con el paso de una corriente eléctrica.

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.

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.

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

SEMICONDUCTORES "EXTRÍNSECOS"

Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta alteración,

esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su cuerpo en una sola

dirección. Para hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa mezclando los

átomos de silicio o de germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o

"impurezas".

Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos semiconductores

que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [como el 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 se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán

capaces de conducir la corriente eléctrica.

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.

A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea (wafer) o

cristal semiconductor de. silicio pulida con brillo de espejo,

destinada a la fabricación de transistores y circuitos.

integrados. A la derecha aparece la cuarta parte de la oblea

conteniendo cientos de. minúsculos dados o “chips”, que se

pueden obtener de cada una. Esos chips son los. que

después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se

convertirán en. transistores o circuitos integrados. Una vez

que los chips se han convertido en. transistores o circuitos

integrados serán desprendidos de la oblea y colocados

dentro. de una cápsula protectora con sus correspondientes

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 fabricar

diodos semiconductores en forma de placas rectangulares, que

combinadas y montadas en una especie de eje se empleaban para

rectificar la corriente alterna y convertirla en directa. Hoy en día,

además del silicio y el germanio, se emplean también combinaciones

de otros elementos semiconductores presentes en la Tabla Periódica.

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

diodo de selenio.

Lente (señalada con la flecha) detrás de la cual se encuentra instalado un

diodo láser de arseniuro de galio (GaAs) empleado para leer datos de texto,

presentaciones multimedia o música grabada en un CD. En esta ilustración

el. CD se ha 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

elementos intrínsecos, los electrones de su última órbita tienden a unirse formando "enlaces covalentes",

para adoptar una estructura cristalina. Los átomos de cualquier elemento, independientemente de la

cantidad de electrones que contengan en su última órbita, tratan siempre de completarla con un máximo

de ocho, ya sea donándolos o aceptándolos, 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,

sus átomos tienden a agruparse formando enlaces covalentes, compartiendo entre sí los cuatro

electrones que cada uno posee, según la tendencia de completar ocho en su órbita externa. Al agruparse

de esa forma para crear un cuerpo sólido, los átomos del elemento semiconductor adquieren una

estructura cristalina, semejante a una celosía. En su estado puro, como ya se mencionó anteriormente,

esa estructura no conduce la electricidad, por lo que 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 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

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

- 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 de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en

este caso positivos o huecos).

Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los

átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los

átomos del semiconductor 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 átomo

tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones

de valencia, tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la

red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes

y un hueco producido que 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 protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado

como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los

huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los

portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los

materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un

ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de

átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso

negativos o electrones).

Cuando se añade el material dopante aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del

semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da

algunos de sus electrones.

El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para

ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del

silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de

los átomos de silicio adyacentes. 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 como resultado la formación de "electrones libres", el número de

electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los

portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con

cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese

que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el

material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

http://equipo1mona.blogspot.com/2012/02/materiales-aislantes-conductores-y.html

http://www.uv.es/candid/docencia/ed_tema-02.pdf

http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina5.htm

http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_1.htm