TEORIA
DE LOS SEMICONDUCTORES
INTRODUCCIÓN
Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede
considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor,
considerados en orden creciente
Los semiconductores más conocidos son el siliceo (Si) y el germanio (Ge).
Debido a que, como veremos más adelante, el comportamiento del siliceo es más
estable que el germanio frente a todas las perturbaciones exteriores que puden
variar su respuesta normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más
utilizado en la fabricación de los componentes electrónicos de estado solido. A
él nosreferiremos normalmente, teniendo en cuenta que el proceso del germanio es
absolutamente similar.
Como todos los demás, el átomo de silicio tiene
tantas cargas positivas en el núcleo, como
electrones en las órbitas que le rodean. (En el caso del silicio este número es de 14). El interés
del
semiconductor se centra en su capacidad de dar lugar a la aparición de una
corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. Como es de todos conocido, un electrón se
siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos. Por tanto
los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser liberados de la
misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas exteriores. Estos
electrónes pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres al inyectarles
una pequeña energía. En estos recaerá nuestra atención y es así que en vez de
utilizar el modelo completo del
átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación simplificada
(figura 2) donde se resalta la zona de nuestro interés.
La zona sombreada de la figura 2 representa de una
manera simplificada a la zona sombreada de la figura 1
Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser liberados
de la fuerza de atracción del núcleo son cuatro.
Conducción en materiales semiconductores
En los átomos de silicio y germanio, los electrones se mantienen juntos con
suficiente fuerza. Los electrones interiores se encuentran a gran profundidad
dentro del átomo, mientras que los electrones
de valencia sonparte del enlace covalente: no
pueden desprenderse sin recibir una considerable cantidad de energía. En calor
y otras fuentes de energía provocan que los electrones en la banda de
valencia
rompan sus enlaces covalentes y se conviertan en electrones libres en la banda
de conducción. Por cada electrón que deja la banda de valencia, se forma un ' hueco
'. Un electrón cercano a la banda de valencia puede moverse y llenar el
hueco, creando otro, prácticamente sin intercambio de energía. La conducción
provocada por los electrones en la banda de conducción es diferente de la
conducción debida a los huecos dejados en la banda de valencia.
Ensemiconductores puros, existen tantos huecos como electrones libres.
La fuente de energía térmica interna aumenta la actividad de los electrones;
por tanto, saca a los electrones de valencia
de la influencia del
enlace covalente y los dirige hacia la banda de conducción. De esta forma,
existe un número limitado de electrones en la banda de conducción bajo la
influencia del campo eléctrico aplicado; estos
electrones se mueven en una dirección y establecen una corriente, como se muestra en la
figura 1.5. El movimiento de huecos es opuesto al de los electrones y se conoce
como corriente
de huecos. Los huecos actúan como
si fueran partículas positivas y contribuyen a la corriente total. Los
dos métodos mediante los cuales se pueden mover los electrones y
huecos a través de un cristal de silicio son la difusión y el desplazamiento.
Figura 1.5
Materiales semiconductores
El átomo de germaniotiene lleno un anillo exterior más que el átomo de silicio.
Este anillo exterior en el germanio se encuentra a una distancia mayor del núcleo que el anillo
exterior en el silicio. Por tanto, en el átomo de germanio se necesita una
fuente de energía menor para elevar electrones de la banda de exterior a la
banda de conducción. El germanio tiene una barrera de la fuente de energía más
pequeña para separar sus bandas de valencia y de conducción, por lo
que se requiere una menor cantidad de energía para cruzar las barreras entre
bandas.
Semiconductores contaminados
La conductividad de un semiconductor se puede aumentar en forma considerable
cuando se introducen cantidades pequeñas de impurezas específicas en el
cristal. Este procedimiento se llaman contaminación. Si la
sustancias contaminantes tienen electrones libres extra, se conoce como donador, y el
semiconductor contaminado es de tipo n. Los portadores mayoritarios son
electrones y los portadores minoritarios son huecos, pues existen más
electrones que huecos. Si la sustancia contaminante tiene huecos extra, se
conoce como
aceptor o receptor, y el semiconductor contaminado es de tipo p. Los portadores
mayoritarios son huecos y los minoritarios son electrones. Los materiales
contaminados se conocen como
semiconductores extrínsecos, mientras que las sustancias puras son materiales
intrínsecos. La densidad de electrones se denota por n y la densidad
de huecos por p. Se puede demostrar que el producto, np, es una constante
para un material dado a una temperatura dada.La densidad intrínseca
de portadores, que se denota con ni, esta dada por la raíz cuadrada de este
producto. Entonces,
ni2 np.
Como estas
concentraciones están provocadas por ionización térmica, ni depende de la
temperatura del cristal. Se concluyen entonces que n o p, o ambos, tienen que
ser función de la temperatura. La concentración de huecos minoritarios es
función de la temperatura en el material contaminado de tipo n y la densidad de
electrones mayoritarios es independiente de la temperatura. En forma similar,
la concentración de electrones minoritarios es función de la temperatura en los
materiales de tipo p, mientras que la densidad de huecos mayoritarios es
independiente de la temperatura. Laresistencia de un semiconductor se
conoce como resistencia de bloque. Un semiconductor
ligeramente contaminado tiene una alta resistencia
de bloque.
