Consultar ensayos de calidad


Teoria de los semiconductores



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.







Política de privacidad