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.