1. SEMICONDUCTORES
Un semiconductor es un elemento que se
comporta como un conductor o como
aislante dependiendo de diversos factores,
como por ejemplo el campo eléctrico o
magnético, la presión, la radiación que le
incide, o la temperatura del ambiente en el
que se encuentre.
2. SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea (wafe) 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.
9. 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.
10. SEMICONDUCTORES DOPADOS
En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso
intencional de agregar impurezas en un semiconductor
extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin
de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas
dependen del tipo de semiconductores a dopar. A los
semiconductores con dopajes ligeros y moderados se los conoce
como extrínsecos. Un semiconductor altamente dopado que actúa
más como un conductor que como un semiconductor es llamado
degenerado.
El número de átomos dopantes necesitados para crear una diferencia
en las capacidades conductoras de un semiconductor es muy
pequeña. Cuando se agregan 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 orden de 1 cada 10.000 átomos) entonces se dice que el
dopaje es alto o pesado. Este dopaje pesado se representa con la
nomenclatura N+ para material de tipo N, o P+ para material de tipo
P.
11. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS TIPO N:
Son los que están dopados, con elementos
pentavalentes, como por ejemplo (As, P, Sb).
Que sean elementos pentavalentes, quiere
decir que tienen cinco electrones en la última
capa, lo que hace que al formarse la
estructura cristalina, un electrón quede fuera
de ningún enlace covalente, quedándose en
un nivel superior al de los otros cuatro. Como
consecuencia de la temperatura, además de
la formación de los pares e-h, se liberan los
electrones que no se han unido.
12. Como ahora en el semiconductor existe un
mayor número de electrones que de huecos,
se dice que los electrones son los portadores
mayoritarios, y a las impurezas se las llama
donadoras.
En cuanto a la conductividad del material,
esta aumenta de una forma muy elevada, por
ejemplo; introduciendo sólo un átomo
donador por cada 1000 átomos de silicio, la
conductividad es 24100 veces mayor que la
del silicio puro.
13. El siguiente es un ejemplo de dopaje
de Silicio por el Fósforo (dopaje N). En
el caso del Fósforo, se dona un
electrón.
14. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS TIPO P:
En este caso son los que están
dopados con elementos trivalentes,
(Al, B, Ga, In). El hecho de ser
trivalentes, hace que a la hora de
formar la estructura cristalina, dejen
una vacante con un nivel energético
ligeramente superior al de la banda de
valencia, pues no existe el cuarto
electrón que lo rellenaría.
15. Esto hace que los electrones salten a
las vacantes con facilidad, dejando
huecos en la banda de valencia, y
siendo los huecos portadores
mayoritarios.
16. El siguiente es un ejemplo de dopaje de
Silicio por el Boro (P dopaje). En el caso
del boro le falta un electrón y, por tanto,
es donado un hueco de electrón.
