Introduccion
Si nos preguntamos porque es importante conocer sobre materiales semiconductores es debido a que en la actualidad, los semiconductores son los materiales principales para la construcción de dispositivo electrónico de estado sólido o circuito integrado, por ello lo primero que debemos saber es que:
Si nos preguntamos porque es importante conocer sobre materiales semiconductores es debido a que en la actualidad, los semiconductores son los materiales principales para la construcción de dispositivo electrónico de estado sólido o circuito integrado, por ello lo primero que debemos saber es que:
“La propiedad de
conductividad de los materiales semiconductores se encuentra entre la de
los materiales de alta conductividad y
los aislantes”
Existen materiales semiconductores puros como el silicio (Si)
y el germanio (Ge), y los compuestos como el fosfuro de galio y arsénico (GaAsP), el arseniuro
de galio (GaAs), el sulfuro de cadmio (CdS) y el nitruro de galio (GaN), pero
en la actualidad los más usados para construcción de dispositivos electrónicos
son el silicio, el germanio y el fosfuro de galio y arsénico (GaAsP), en ese
orden.
En el comienzo del uso de los semiconductores después de la invención
del diodo en 1939 y el transistor en1949,
el material por excelencia para la construcción de dispositivos electrónicos
era el germanio debido a su abundancia en la naturaleza y a su fácil refinación,
logrando alcanzar altos grados de pureza, importante en la fabricación. Pero los
de dispositivos electrónicos fabricados con germanio eran sensibles a los cambios
de temperatura, por lo cual años después
fue remplazado por el silicio, ya que este elemento era más abundante y menos
sensible a los cambios de temperatura
En conclusión un material semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como
aislante dependiendo de varios factores, como el campo eléctrico o magnético,
la presión, la radiación que le incide,
la temperatura del ambiente en el que se encuentre entre otros. Los
elementos semiconductores se indican en
la tabla.
Semiconductores intrínsecos
Debido a que los átomos de silicio y germanio tienes cuatro
electrones de valencia, estos se unen por medio de un enlace covalente formando estructuras cristalinas. Pero a pasar
de la atracción de los electrones de valencia con sus átomos, pueden ser arrancados de sus átomos de manera natural
legando a ser “electrones libres” a
estos electrones se lo denomina “portadores
intrínsecos”, además diremos 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”.
“El aumento en la temperatura
en el material semiconductor genera un incremento importante en el numero de electrones
libres ya que 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, como consecuencia aumenta su conductividad y
disminuye su resistencia”
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.
En el caso de los semiconductores en la banda prohibida es
mucho más estrecho que en materiales aislantes la energía de salto de banda
también es menor.
Semiconductores extrínsecos
Si a un semiconductor intrínseco, se le añade un pequeño
porcentaje de impurezas, que sean, elementos trivalentes o pentavalentes, el
semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado.
Semiconductor tipo N: Se obtiene en 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 dopaje tipo n es el de produce una abundancia de
electrones portadores en el material. Para el dopaje tipo n 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 (fósforo (P), arsénico (As) o antimonio
(Sb)), se añade la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces
ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Esto 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.
Semiconductor tipo P: Se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo
átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga
libres (en este caso positivos o huecos).
Este agente dopante es también conocido como material
aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son
conocidos como huecos, crea una abundancia de huecos. En el silicio, se
combinan con átomos con tres electrones de valencia, (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 encontrara en
condición de aceptar un electrón libre 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.
