SEMICONDUCTOR

Semiconductor es un elemento que se comporta comoun conductor o como aislante dependiendo de diversos factores,como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, laradiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que seencuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tablaperiódica se indican en la tabla adjunta

El elemento semiconductor más usado es el silicio, el segundoel germanio, aunque idéntico comportamiento presentan lascombinaciones de elementos de los grupos 12 y 13 con los de losgrupos 16 y 15 respectivamente (GaAs, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd ySCd). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el azufre.La característica común a todos ellos es que son tetravalentes,teniendo el silicio una configuración electrónica s²p²

MATERIALES CONDUCTORES

Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en lanaturaleza poseen características diferentes, agrupadas todas enla denominada «Tabla de Elementos Químicos». Desde el puntode vista eléctrico, todos los cuerpos simples o compuestosformados por esos elementos se pueden dividir en tres ampliascategorías:

. Conductores

.Aislantes

.Semiconductores

SEMICONDUCTORES INTRINSECOS

Los elementos semiconductores por excelencia son el silicio y elgermanio, aunque existen otros elementos como el estaño, ycompuestos como el arseniuro de galio que se comportan como tales.

Tomemos como ejemplo el silicio en su modelo bidimensional:

SEMICONDUCTORES INTRINSECOSVemos como cada átomo de silicio se rodea de sus 4 vecinospróximos con lo que comparte sus electrones de valencia.

A 0ºK todos los electrones hacen su papel de enlace y tienenenergías correspondientes a la banda de valencia. Esta bandaestará completa, mientras que la de conducción permanecerá vacía.Es cuando hablamos de que el conductor es un aislante perfecto.

Ahora bien, si aumentamos la temperatura, aumentará porconsiguiente la energía cinética de vibración de los átomos de lared, y algunos electrones de valencia pueden absorber de losátomos vecinos la energía suficiente para liberarse del enlace ymoverse a través del cristal como electrones libres. Su energíapertenecerá a la banda de conducción, y cuanto más elevada sea latemperatura más electrones de conducción habrá, aunque ya atemperatura ambiente podemos decir que el semiconductor actúacomo conductor.

SEMICONDUCTORES INTRINSECOS

Si un electrón de valencia se convierte en electrón de conduccióndeja una posición vacante, y si aplicamos un campo eléctrico alsemiconductor, este “hueco” puede ser ocupado por otro electrónde valencia, que deja a su vez otro hueco. Este efecto es el de unacarga +e moviéndose en dirección del campo eléctrico. A esteproceso le llamamos „generación térmica de pares electrón-hueco‟.

SEMICONDUCTORES INTRINSECOS

Paralelamente a este proceso se da el de „recombinación‟. Algunoselectrones de la banda de conducción pueden perderenergía(emitiéndola en forma de fotones, por ejemplo), y pasar ala de valencia ocupando un nivel energético que estaba libre, o sea, “ recombinándose” con un hueco. A temperatura constante, setendrá un equilibrio entre estos dos procesos, con el mismonúmero de electrones en la banda de conducción que el de huecosen la de valencia.

Este fenómeno de la conducción asociada a la formación de paresen el semiconductor se denomina conducción intrínseca. Se cumple

que

p = n = ni --> Donde p y n son las concentraciones de huecos yelectrones respectivamente, y ni es la concentración de portadoresintrínsecos.

SEMICONDUCTORES INTRINSECOS

El cristal de silicio es diferente de un aislante porque a cualquiertemperatura por encima del cero absoluto, existe una probabilidadfinita de que un electrón en la red sea golpeado y sacado de suposición, dejando tras de sí una deficiencia de electrones llamada"hueco".

Si se aplica un voltaje, entonces tanto el electrón como el huecopueden contribuir a un pequeño flujo de corriente.

La conductividad de un semiconductor puede ser modelada entérminos de la teoría de bandas de sólidos. El modelo de banda de unsemiconductor sugiere que, a temperaturas ordinarias hay unaposibilidad finita de que los electrones pueden alcanzar la banda deconducción, y contribuir a la conducción eléctrica.

El término intrínseco aquí, distingue entre las propiedades del siliciopuro "intrínseco", y las propiedades radicalmente diferentes delsemiconductor dopado tipo n o tipo p.

CORRIENTE SEMICONDUCTOR

La corriente que fluirá en un semiconductor intrínseco consiste encorriente de ambos electrones y huecos. Es decir, los electrones quehan sido liberados de sus posiciones en la red dentro de la banda deconducción, se pueden mover a través del material.Además, otros electrones pueden saltar entre las posiciones de la red para llenar las vacantes dejadas por los electrones liberados. Este mecanismo adicional se llama conducción de huecos, porque es como si los huecos estuvieran emigrando a través del material en dirección opuesta al movimiento de electrones libres.

El flujo de corriente en un semiconductor intrínseco estáinfluenciado por la densidad de estados de energía la cual a su vez,influencia la densidad de electrones en la banda de conducción.Esta corriente es dependiente altamente de la temperatura.

SEMICONDUCTORES DOPADOSSemiconductores dopados: semiconductores N y semiconductores P.Un semiconductor N se obtiene añadiendo un pequeño número de átomospentavalentes (con cincoelectrones en su última capa) a un semiconductor intrínseco. Estosátomos pueden ser de P, As o Sb. De loscinco electrones, cuatro realizan enlaces covalentes con los átomos delsemiconductor intrínseco y el otroserá libre. A temperatura ambiente los electrones libres de unsemiconductor N provienen de los electronessobrantes de las impurezas y de los electrones térmicos (o liberados porenergía térmica). Así pues, unsemiconductor tipo N posee más electrones libres que el correspondientesemiconductor intrínseco y portanto la conductividad será mayor. También el número de electrones libreses mayor que el de huecos. Lacorriente eléctrica en el semiconductor N es también debida a electrones yhuecos. Los electrones sonportadores mayoritarios y los huecos son portadores minoritarios.

SEMICONDUCTORES DOPADOS

SEMICONDUCTORES DOPADOSUn semiconductor tipo P es el resultado de añadir un pequeño número deátomos trivalentes (con treselectrones en la última capa) a un semiconductor intrínseco. Estos treselectrones formaran enlacescovalentes con los átomos del semiconductor intrínseco. Queda por lotanto un electrón del semiconductorintrínseco sin emparejar para formar el enlace covalente. Esto es, habráun hueco donde cabría un electrón.Los átomos que se añaden pueden ser de Al, B o Bi. En un semiconductorP existen, pues, huecos debidos ala falta de electrones para formar enlaces covalentes, electrones librestérmicos y sus correspondienteshuecos. El número de huecos será por lo tanto mayor en unsemiconductor dopado P que en elcorrespondientes semiconductor intrínseco. Al conectar un generadorexterno, los huecos se moverán haciael polo negativo del generador y los electrones libres hacia el polopositivo. Los huecos serán los portadoresmayoritarios y los electrones térmicos los portadores minoritarios.

SEMICONDUCTORES DOPADOS

UNION PN: EL DIODO, APLICACIONES

Cuando se unen dos semiconductores dopados, P y N, aparece unfenómeno interesante: loselectrones libres del semiconductor N que están cerca de la unión saltana los huecos del semiconductor Ppara completar los enlaces covalentes que faltaban. Por cada electrónque salta de N a P aparece una carganegativa en la zona P (la carga del electrón que ha saltado) y apareceuna carga positiva en N (la del núcleodel átomo al que pertenecía el electrón fugado). Al cabo de un ciertotiempo la zona P, cerca de la unión, sequeda cargada negativamente y la zona N cargada positivamente. Estascargas producen un campo eléctricodirigido de N a P el cual se opone a que pasen más electrones de N a P.Los electrones que han conseguidosaltar a P se mantienen cerca de la unión ya que son atraidos por losnúcleos positivos de la zona N.

SEMICONDUCTORES DOPADOSLa unión de los dos semiconductores P y N se denomina diodo. Si seconecta un generador decontinua a un diodo, ocurren fenómenos que tienen gran aplicación. Laconexión de un generador decontinua a un diodo se denomina polarización del diodo. La polarización deun diodo puede ser directa oinversa y el comportamiento del diodo depende de esta polarización.Se denomina polarización directa de un diodo al hecho de conectarle un

generador del siguientemodo: el polo positivo a la zona P y el polo negativo a la zona N. En estecaso el campo eléctrico creado porel generador (por sus bornes) va dirigido de la zona P a la zona N. esevidente que dicho campo es contrario

SEMICONDUCTORES DOPADOSal que existe dentro del diodo (debido al salto de los electrones antesexplicado). Por lo tanto el campo totalserá menor y no se opondrá a nuevos saltos de N a P. Además loselectrones que ya han saltado a P sonatraído por el polo positivo del generador y se moverán hacia él,generando una corriente eléctrica. Tambiénlos electrones del polo negativo del generador penetrarán en la zona N deldiodo para completar el circuito eimpulsados por el campo eléctrico creado por el generador y atraídos,además, por los restos positivos quehabía en la zona N cerca de la unión. Estos electrones llegarán a la unióny saltarán a los huecos de la zona Pdonde continuarán moviéndose hacia el generador. Resumiendo: cuandoun diodo se polariza directamentecircula corriente por su interior en el sentido de P a N (sentido contrario almovimiento de los electrones).Los electrones que circulan por la unión primero se mueven por la zona Ncomo electrones libres, despuéssaltan de N a P en la unión y luego van saltando de hueco en hueco por lazona P hasta salir del diodo

SEMICONDUCTORES DOPADOSSe denomina polarización inversa del diodo a la conexión de un generadorexterno, uniendo el polopositivo a la zona N y el polo negativo a la zona P. En este caso, el campoeléctrico creado por el generadortiene el mismo sentido que el campo eléctrico propio del diodo. El campoeléctrico total será mayor, lo queimpedirá que los electrones de la zona N salten a la zona P (los electronesque han saltado de N a P y hanquedado atrapados por los huecos, esto es, en los enlaces covalentes, nopueden regresar a su zona N dedonde provenían salvo que adquieran energía térmica suficiente). En otraspalabras, los electrones del polonegativo del generador penetran en la zona P para llenar huecos pero nopueden continuar moviéndose haciala zona N porque allí no hay huecos y deberían saltar a electrones libres yello no es posible sin adquirirenergía térmica suficiente. Resumiendo: cuando un diodo se polarizainversamente no circula corriente por el

SEMICONDUCTORES DOPADOS

Dado el comportamiento tan peculiar del diodo, el signo que se haconvenido para, representarle es el siguiente: .El triángulo representala zona P y la raya la zona N, y el sentido que indicael dibujo es el de la corriente eléctrica (sentido contrario al movimientode los electrones).La aplicación inmediata que se hace del diodo es la de rectificar lacorriente alterna: todos losaparatos de medida electrónicos necesitan ser alimentados concorriente continua, sin embargo la corrienteeléctrica disponible en los laboratorios es corriente alterna. El diodo seencarga de rectificar la corriente alterna (transformarla en corrientecontinua). El esquema es el siguiente:

SEMICONDUCTORES DOPADOS

FUENTES DE INFORMACION

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

http://fisicauva.galeon.com/aficiones1925812.html

http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor

http://www.uv.es/~navasqui/Tecnologia/Tema3.pdf

http://www.slideshare.net/JavierRuizG/semiconductores

http://www.profesormolina.com.ar/electronica/componentes