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semiconductores intrínsecos, extrínsecos yy dopados

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Semiconductores Semiconductores Presentation Transcript

  • Vladimir tello chumacero*
  • **Se dice que un semiconductor es “intrínseco”cuando se encuentra en estado puro, o sea,que no contiene ninguna impureza, ni átomosde otro tipo dentro de su estructura. En esecaso, la cantidad de huecos que dejan loselectrones en la banda de valencia al atravesarla banda prohibida será igual a la cantidad deelectrones libres que se encuentran presentesen la banda de conducción
  • **Cuando se eleva la temperatura de la red cristalinade un elemento semiconductor intrínseco, algunosde los enlaces covalentes se rompen y varioselectrones pertenecientes a la banda de valencia seliberan de la atracción que ejerce el núcleo delátomo sobre los mismos. Esos electrones libressaltan a la banda de conducción y allí funcionancomo “electrones de conducción”, pudiéndosedesplazar libremente de un átomo a otro dentro dela propia estructura cristalina, siempre que elelemento semiconductor se estimule con el paso deuna corriente eléctrica.
  • **Como se puede observar en lailustración, en el caso de lossemiconductores el espaciocorrespondiente a la bandaprohibida es mucho másestrecho en comparación conlos materiales aislantes. Laenergía de salto de banda(Eg) requerida por loselectrones para saltar de labanda de valencia a la deconducción es de 1 eVaproximadamente. En lossemiconductores de silicio(Si), la energía de salto debanda requerida por loselectrones es de 1,21 eV,mientras que en los degermanio (Ge) es de 0,785 eV.
  • ** Estructura cristalina de unsemiconductor intrínseco, compuestasolamente por átomos de silicio (Si)que forman una celosía. Como sepuede observar en la ilustración, losátomos de silicio (que sólo poseencuatro electrones en la última órbitao banda de valencia), se unenformando enlaces covalente paracompletar ocho electrones y crear asíun cuerpo sólido semiconductor. Enesas condiciones el cristal de silicio secomportará igual que si fuera uncuerpo aislante.
  • **Cuando a la estructura molecular cristalina delsilicio o del germanio se le introduce ciertaalteración, esos elementos semiconductorespermiten el paso de la corriente eléctrica porsu cuerpo en una sola dirección. Para hacerposible, la estructura molecular delsemiconductor se dopa mezclando los átomosde silicio o de germanio con pequeñascantidades de átomos de otros elementos o"impurezas".
  • **Generalmente los átomos de las “impurezas”corresponden también a elementossemiconductores que, en lugar de cuatro, poseentres electrones en su última órbita [como el galio(Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electronestambién en su última órbita [como el antimonio (Sb)o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el silicio o elgermanio se convierten en semiconductores“extrínsecos” y serán capaces de conducir lacorriente eléctrica.
  • ** En la actualidad el elemento másutilizado para fabricar semiconductorespara el uso de la industria electrónicaes el cristal de silicio (Si) por ser uncomponente relativamente barato deobtener. La materia prima empleadapara fabricar cristales semiconductoresde silicio es la arena, uno de losmateriales más abundantes en lanaturaleza. En su forma industrialprimaria el cristal de silicio tiene laforma de una oblea de muy poco grosor(entre 0,20 y 0,25 mmaproximadamente), pulida como unespejo.
  • ** El segundo elemento también utilizadocomo semiconductor, pero en menorproporción que el silicio, es el cristal degermanio (Ge).* Durante mucho tiempo se empleótambién el selenio (S) para fabricardiodos semiconductores en forma deplacas rectangulares, que combinadas ymontadas en una especie de eje seempleaban para rectificar la corrientealterna y convertirla en directa. Hoy endía, además del silicio y el germanio, seemplean también combinaciones deotros elementos semiconductorespresentes en la Tabla Periódica.
  • **En la producción de semiconductores, se denominadopaje al proceso intencional de agregar impurezasen un semiconductor extremadamente puro(también referido como intrínseco) con el fin decambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezasutilizadas dependen del tipo de semiconductores adopar. A los semiconductores con dopajes ligeros ymoderados se los conoce como extrínsecos. Unsemiconductor altamente dopado, que actúa máscomo un conductor que como un semiconductor, esllamado degenerado.
  • **El número de átomos dopantes necesitados paracrear una diferencia en las capacidades conductorasde un semiconductor es muy pequeña. Cuando seagregan un pequeño número de átomos dopantes(en el orden de 1 cada 100.000.000 de átomos)entonces se dice que el dopaje es bajo o ligero.Cuando se agregan muchos más átomos (en el ordende 1 cada 10.000 átomos) entonces se dice que eldopaje es alto o pesado. Este dopaje pesado serepresenta con la nomenclatura N+ para material detipo N, o P+ para material de tipo P.
  • ** Tipo N* Se llama material tipo N al que posee átomos deimpurezas que permiten la aparición deelectrones sin huecos asociados a los mismos.Los átomos de este tipo se llaman donantes yaque "donan" o entregan electrones. Suelen serde valencia cinco, como el Arsénico y el Fósforo.De esta forma, no se ha desbalanceado laneutralidad eléctrica, ya que el átomointroducido al semiconductor es neutro, peroposee un electrón no ligado, a diferencia de losátomos que conforman la estructura original,por lo que la energía necesaria para separarlodel átomo será menor que la necesitada pararomper una ligadura en el cristal de silicio (o delsemiconductor original). Finalmente, existiránmás electrones que huecos, por lo que losprimeros serán los portadores mayoritarios y losúltimos los minoritarios. La cantidad deportadores mayoritarios será función directa dela cantidad de átomos de impurezasintroducidos.* El siguiente es un ejemplo de dopaje de Siliciopor el Fósforo (dopaje N). En el caso delFósforo, se dona un electrón.
  • ** Tipo P* Se llama así al material que tiene átomos deimpurezas que permiten la formación de huecossin que aparezcan electrones asociados a losmismos, como ocurre al romperse una ligadura.Los átomos de este tipo se llaman aceptores, yaque "aceptan" o toman un electrón. Suelen serde valencia tres, como el Aluminio, el Indio o elGalio. Nuevamente, el átomo introducido esneutro, por lo que no modificará la neutralidadeléctrica del cristal, pero debido a que solotiene tres electrones en su última capa devalencia, aparecerá una ligadura rota, quetenderá a tomar electrones de los átomospróximos, generando finalmente más huecos queelectrones, por lo que los primeros serán losportadores mayoritarios y los segundos losminoritarios. Al igual que en el material tipo N,la cantidad de portadores mayoritarios seráfunción directa de la cantidad de átomos deimpurezas introducidos.* El siguiente es un ejemplo de dopaje de Siliciopor el Boro (P dopaje). En el caso del boro lefalta un electrón y, por tanto, es donado unhueco de electrón.