Semiconductores Intrínsecos y los Semiconductores Dopados

Semiconductores intrínsecos Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraedro similar a la del

carbono mediante enlace covalente entre sus átomos, en la figura representados en el

plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos

electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de

conductancia dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia(1). Las

energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y

el germanio respectivamente.

Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones

pueden caer, desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a

un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno de singadera

extrema se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura,

las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que

la concentración global de electrones y huecos permanece constante. Siendo "n" la

concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos

(cargas positivas), se cumple que:

ni = n = p

siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la

temperatura y del tipo de elemento.

Ejemplos de valores de ni a temperatura ambiente (27ºc):

ni(Si) = 1.5 1010cm-3ni (Ge) = 1.72 1013cm-3

Cristal De Silicio Puro

Se denomina semiconductor puro aquél en que los átomos que lo constituyen son todos del mismo tipo, es decir no tiene ninguna clase de impureza. La disposición esquemática de los átomos para un semiconductor de silicio podemos observarla en la figura, Las regiones sombreadas representan la carga positiva neta de los núcleos y los puntos negros son los electrones, menos unidos a los mismos.

Conducción Del Cristal De

Silicio Puro

A la temperatura ambiente (20-25 grados C.) algunas de las fuertes

uniones entre los átomos se rompen debido al calentamiento del

semiconductor y como consecuencia de ello algunos de los

electrones pasan a ser libres. En la figura siguiente se representa

esta situación. La ausencia del electrón que pertenecía a la unión

de dos átomos de silicio se representa por un círculo.

SEMICONDUCTOR DOPADO

Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de

la pila intentará atraer los electrones y el negativo los huecos

favoreciendo así la aparición de una corriente a través del

circuito

Dopado del Germanio

el germanio tiene todos sus electrones con baja energía dentro de las bandas de valencia y se transforma en un aislador absoluto. En cambio a temperatura ambiente alguno de los electrones toma la energía necesaria para pasar a la banda de conducción y el germanio se comporta como un semiconductor(Ver figura 2.).

El electrón que se independiza de la atracción del núcleo se convierte en electrón libre y origina en la covalencia que se destruye, la ausencia de una carga negativa o pozo positivo, que se denomina, laguna o agujero. Se admite que esta laguna o agujero se va corriendo sucesivamente a través del sólido, pues puede ser llenada por electrones de covalencias vecinas originando en ellas el nuevo hueco (ver figura 3).

Figura de dopado en Ge

Figura de dopado electrónico en el

Ge

Movimiento de Agujero

La movilidad del agujero puede ser simulada por estudiantes.

Cinco estudiantes son electrones y una silla vacía es un

agujero. Por cada movimiento de los estudiantes una silla hacia

la derecha (flechas oscuras) produce un resultado que es

equivalente a una silla vacía que mueve a la izquierda (flechas

blancas).

Movimiento de Agujero

Representativo

Semiconductores del tipo "n”

La impurificación consiste en agregar al semiconductor átomos de otros elementos, hablamos de una contaminación de un átomo contaminante por cada 108 átomos de la red.

Una de las impurezas usadas es el Arsénico que tiene 5 electrones en la última capa, necesitando 3 para lograr la configuración estable de 8 electrones.

Poniendo en condiciones adecuadas de presión y temperatura cristales de Ge en presencia de As, el mismo desplaza a los átomos de Ge y con 4 de sus electrones forma 4 covalencias compartiendo electrones con otros cuatro átomos de Ge logrando 8 en la última capa a expensas de liberar el quinto a la red. El electrón libre que se incorpora al sólido mejora la conductividad del mismo porque se aumenta dentro del sólido el número de portadores de corriente.

Semiconductores del tipo "n”

Semiconductores del tipo "p"

El Ge se puede contaminar también con otras impurezas como el Boro o el Indio. Tanto uno como el otro tienen 3 electrones de valencia en la última capa y también en condiciones adecuadas de presión y temperatura estos pueden sustituir a un átomo de Ge de la red, pero al hacer esto en las covalencias vecinas faltaría un electrón generando un hueco positivo llamado laguna. Ésta genera estabilidades y tiende a ser llenada con electrones de covalencias vecinas pasando el hueco o la laguna (+) alternativamente entre los átomos de la red, es decir contrariamente a lo que hacía el Arsénico , el Boro deja lagunas libres forzando a los electrones a ocuparlas y haciendo que estos queden en minoría resultando como portadoras mayoritarias las lagunas. Este nuevo semiconductor se denomina del tipo "p" y a la impureza, "aceptora".

Semiconductores del tipo "p"

Unión p-n Una unión p-n se obtiene por la unión de un semiconductor

tipo "p" y uno "n". En el tipo "p" los portadores mayoritarios son lagunas y tratarán de difundirse hacia el "n" por lo contrario los portadores mayoritarios del "n" que son los electrones tratarán de difundirse ocupando parte de "p".

Pero tanto uno como otro semiconductor son neutros, cada electrón que deja el "n" y pasa al "p" carga negativamente al "p" y positivamente al "n" y cada laguna que pase del "p" al "n" aumenta también la positividad de "n" y la negatividad de "p".

Al principio los primeros electrones y lagunas que difunden cerca de la juntura no encuentran resistencia de ningún campo eléctrico pero a medida que van cruzando la unión van dejando una zona sin portadores y creando un potencial eléctrico intenso que actúa en contra del movimiento de otros portadores que quieren intentar el mismo camino.

Llega un momento que los portadores que no han cruzado la unión, si quieren hacerlo necesitan energía extra para vencer el potencial y pasar la zona deprimida que es del orden de un micrón.

Unión p-n

Zona de agotamiento No es conductora, puesto que no posee portadores de carga

libres. En ella actúa un campo eléctrico, o bien entre los extremos actúa una barrera de potencial.

Polarización Directa Unión Pn

El bloque PN en principio no permite el establecimiento de una corriente eléctrica entre sus terminales puesto que la zona de agotamiento no es conductora.

Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de la zona de agotamiento. Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la conducción.

Si la tensión aplicada supera a la de barrera, desaparece la zona de agotamiento y el dispositivo conduce. De forma simplificada e ideal, lo que sucede es lo siguiente

Electrones y huecos se dirigen a la unión.

En la unión se recombinan.

En resumen, polarizar un diodo PN en directa es aplicar tensión positiva a la zona P y negativa a la zona N. Un diodo PN conduce en directa porque se inunda de cargas móviles la zona de agotamiento. La tensión aplicada se emplea en:

Vencer la barrera de potencial.

Mover los portadores de carga

Polarización Directa Unión Pn

Polarización Inversa Unión Pn.

Corriente De Fuga

Condición de Polarización Inversa (Vd < 0 V). Bajo esta condición el número de iones positivos descubiertos en la región de agotamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de electrones libres arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. El número de iones negativos descubiertos en el material tipo P también aumentará debido a los electrones inyectados por la terminal negativa, las cuales ocuparán los huecos. El fenómeno explicado anteriormente, en ambos tipos de material N y P, provocará que la región de agotamiento se ensanche o crezca hasta establecer una barrera tan grande que los portadores mayoritarios no podrán superar, esto significa que la corriente Id del diodo será cero. Sin embargo, el número de portadores minoritarios que estarán entrando a la región de agotamiento no cambiará, ya que para ellos la unión esta polarizada en directo, creando por lo tanto la corriente Is denominada corriente de saturación inversa o corriente de fuga.

Polarización Inversa Unión Pn.

Corriente De Fuga

Polarización Directa

Cuando al diodo se le aplica externamente una

diferencia de potencial como si estuviera en paralelo

con una pila imaginaria que formó el potencial de la

unión, los electrones del lado n no pueden pasar al

lado p porque la pila con su lado positivo refuerza la

barrera de potencial.

Polarización Directa Por la misma razón las lagunas tampoco pueden pasar al

lado n porque el potencial negativo de la pila refuerza la barrera de potencial de la unión.

También podemos decir que no circulará ninguna corriente porque la pila exterior ensancha mucho la zona deprimida. En realidad siempre circula una corriente pequeña debida a los portadores minoritarios. La polarización del diodo realizada de esta forma se llama polarización inversa, es decir si el diodo se polariza inversamente no conduce corriente. Si invertimos la polarización de los portadores mayoritarios toman la energía necesaria para atravesar la unión venciendo la barrera de potencial y a ésta se la denomina polarización directa.

En forma no muy rigurosa podemos decir que un diodo polarizado directamente se comporta como un interruptor cerrado mientras que inversamente polarizado como uno abierto. El signo que se utiliza para individualizar a un diodo en un circuito es el siguiente:

Polarización Directa

Dirección de publicaciones http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_1.ht

m

http://www.areaelectronica.com/semiconductores-comunes/

http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/dispossemicond.html

http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Principios-Basicos-Materiales-

Semiconductores.php

http://www.ing.unlp.edu.ar/quimica/Q1.htm