SEMICONDUCTORES

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:

“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”

“En ese caso, la cantidad de huecos (espacios vacíos)  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.

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.