Semiconductores
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Este documento explica los diferentes tipos de semiconductores, incluyendo semiconductores intrínsecos y extrínsecos (dopados). Los semiconductores intrínsecos como el silicio y el germanio tienen una concentración igual de electrones y huecos a temperatura ambiente. Los semiconductores extrínsecos son dopados agregando pequeñas cantidades de impurezas, lo que da como resultado semiconductores de tipo N con exceso de electrones o semiconductores de tipo P con exceso de huecos. El dopaje modifica las propiedades eléctricas del
Semiconductores
- 1. Andrés Cerrón SEMICONDUCTORES Gonzales Física Electrónica
- 2. 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. los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta. http://www.modelscience.com/PeriodicTabl eSp.html
- 3. TIPOS DE SEMICONDUCTORES Semiconductores intrínsecos Los principales elementos que representan propiedades semiconductoras son como ejemplo el silicio y el germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 0,7 eV y 0,3 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 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 invariable. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que: n i= n = p s i e n d o n i l a c o n c e n t r a c i ó n i n t r í n s e c a d e l s e m i c o n d u c t o r, f u n c i ó n e x c l u s i v a d e l a temperatura y del tipo de elemento. Ejemplos de valores de ni a temperatura ambiente (25ºc): n i( S i ) = 1 . 5 1 0 10c m -3 n i( G e ) = 2 . 5 1 0 13c m -3 L o s e l e c t r o n e s y l o s h u e c o s r e c i b e n e l n o m b r e d e portadores. En los semiconductores, ambos tipos de portadores contribuyen al paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos, originando una corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.
- 4. TIPOS DE SEMICONDUCTORES Semiconductores extrínsecos S i a u n s e m i c o n d u c t o r i n t r í n s e c o , c o m o e l a n t e r i o r, s e l e a ñ a d e u n p e q u e ñ o p o r c e n t a j e d e i m p u r e z a s , e s d e c i r, e l e m e n t o s t r i v a l e n t e s o p e n t a v a l e n t e s , e l s e m i c o n d u c t o r s e d e n o m i n a extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio. Hoy en día se han logrado añadir impurezas de una parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificación del material. Semiconductor tipo N Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones). Cuando se añade el material dopante aporta sus electrones más débilmente vinculados a l o s á t o m o s d e l s e m i c o n d u c t o r. E s t e t i p o d e a g e n t e d o p a n t e e s t a m b i é n c o n o c i d o c o m o material donante ya que da algunos de sus electrones .
- 6. TIPOS DE SEMICONDUCTORES El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo 15 de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.
- 7. TIPOS DE SEMICONDUCTORES Semiconductor tipo P Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos). Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados d e l o s á t o m o s d e l s e m i c o n d u c t o r. E s t e a g e n t e d o p a n t e e s t a m b i é n c o n o c i d o c o m o material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos. El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrará en condición de aceptar un electrón libre. Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los m a t e r i a l e s t i p o P. L o s d i a m a n t e s a z u l e s ( t i p o I I b ) , q u e c o n t i e n e n i m p u r e z a s d e b o r o (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.
- 8. DOPAJE (SEMICONDUCTORES) Dopaje en conductores orgánicos A r t í c u l o p r i n c i p a l : P o l í m e r o c o n d u c t o r. Los polímeros conductores pueden ser dopados al agregar reactivos químicos que oxiden (o algunas veces reduzcan) el sistema, para ceder electrones a las órbitas conductoras dentro d e u n s i s t e m a p o t e n c i a l m e n t e c o n d u c t o r. E x i s t e n d o s f o r m a s p r i n c i p a l e s d e d o p a r u n p o l í m e r o c o n d u c t o r, a m b a s m e d i a n t e u n p r o c e s o de reducción-oxidación. En el primer método, dopado químico, se expone un polímero, como la melanina (típicamente una película delgada), a un oxidante (típicamente yodo o bromo) o a un agente reductor (típicamente se utilizan metales alcalinos, aunque esta exposición es bastante menos común). El segundo método es el dopaje electroquímico, en la cual un electrodo de trabajo, revestido con un polímero, es suspendido en una solución electrolítica, en la cual el polímero es insoluble, junto al electrodo opuesto, separados ambos. Se crea una diferencia de potencial eléctrico entre los electrodos, la cual hace que una carga (y su correspondiente ion del electrolito) entren en el polímero en la forma de electrones agregados (dopaje tipo N) o salgan del polímero (dopaje tipo P), según la polarización utilizada. La razón por la cual el dopaje tipo N es mucho menos común es que la atmósfera de la tierra, la cual es rica en oxígeno, crea un ambiente oxidante. Un polímero tipo N rico en electrones reaccionaría inmediatamente con el oxígeno ambiental y se desdoparía (o reoxidaría) nuevamente el polímero, volviendo a su estado natural.