Semiconductores

SEMICONDUCTORES INTRINSICOS

SEMICONDUCTORES DOPADOS

Nombre: Andres Huyhua Diaz
Especialidad: Ingeniería de Sistemas

SEMICONDUCTORES INTRINSECOS
 Es un semiconductor puro. A temperatura ambiente se
comporta como un aislante porque solo tiene unos
pocos electrones libres y huecos debidos a la energía
térmica.
 En un semiconductor intrínseco también hay flujos de
electrones y huecos, aunque la corriente total resultante
sea cero. Esto se debe a que por acción de la energía
térmica se producen los electrones libres y los huecos
por pares, por lo tanto hay tantos electrones libres como
huecos con lo que la corriente total es cero.
 La tensión aplicada en la figura forzará a los electrones
libres a circular hacia la derecha (del terminal negativo
de la pila al positivo) y a los huecos hacia la izquierda.

SIMULACION

En este applet podemos ver mediante una animación en que dirección se
mueven los electrones y los huecos en un semiconductor intrínseco.

Cuando los electrones libres llegan la extremo
derecho del cristal, entran al conductor externo
(normalmente un hilo de cobre) y circulan hacia el
terminal positivo de la batería. Por otro lado, los
electrones libres en el terminal negativo de la
batería fluirían hacia el extremos izquierdo del
cristal. Así entran en el cristal y se recombinan
con los huecos que llegan al extremo izquierdo
del cristal. Se produce un flujo estable de
electrones libres y huecos dentro del
semiconductor.

 Cuando el silicio se encuentra formado por átomos del tipo explicado en el
apartado anterior, se dice que se encuentra en estado puro o más
usualmente que es un semiconductor intrínseco

 Una barra de silicio puro está formada por un conjunto de átomos en
lazados unos con otros según una determinada estructura geométrica que
se conoce como red cristalina

 Si en estas condiciones inyectamos energía desde el exterior, algunos de
esos electrones de los órbitas externas dejarán de estar enlazados y
podrán moverse. Lógicamente si un electrón se desprende del átomo, este
ya no está completo, decimos que está cargado positivamente, pues tiene
una carga negativa menos, o que ha aparecido un hueco. Asociamos
entonces el hueco a una carga positiva o al sitio que ocupaba el electrón.

 El átomo siempre tendrá la tendencia a estar en su estado normal, con
todas sus cargas, por lo tanto en nuestro caso, intentará atraer un electrón
de otro átomo para rellenar el hueco que tiene.

Toda inyección de energía exterior produce pues un proceso continuo que
podemos concretar en dos puntos:

Electrones que se quedan libres y se desplazan de un átomo a otro a lo largo
de la barra del material semiconductor de silicio.

Aparición y desaparición de huecos en los diversos átomos del
semiconductor.

Queda así claro que el único movimiento real existente dentro de un
semiconductores el de electrones. Lo que sucede es que al aparecer y
desaparecer huecos, "cargas positivas", en puntos diferentes del
semiconductor, parece que estos se mueven dando lugar a una corriente de
cargas positivas. Este hecho, movimiento de huecos, es absolutamente falso,.
Los huecos no se mueven, sólo parece que lo hacen.

Ahora bien, para facilitar el estudio de los semiconductores hablaremos de
corriente de huecos (cargas positivas), pues nos resulta más cómodo y los
resultados obtenidos son los mismos que los reales.

SEMICONDUCTOR DOPADO
En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al
proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor
extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin
de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas
dependen del tipo de semiconductores a dopar. A los
semiconductores con dopajes ligeros y moderados se los conoce
como extrínsecos. Un semiconductor altamente dopado, que actúa
más como un conductor que como un semiconductor, es llamado
degenerado.

El número de átomos dopantes necesitados para crear una
diferencia en las capacidades conductoras de un semiconductor es
muy pequeña. Cuando se agregan un pequeño número de átomos
dopantes (en el orden de 1 cada 100.000.000 de átomos) entonces
se dice que el dopaje es bajo o ligero. Cuando se agregan muchos
más átomos (en el orden de 1 cada 10.000 átomos) entonces se
dice que el dopaje es alto o pesado. Este dopaje pesado se
representa con la nomenclatura N+ para material de tipo N, o P+
para material de tipo P.

TIPOS DE MATERIALES DOPANTES
Tipo N
Se llama material tipo N al que posee átomos de El siguiente es un ejemplo de
dopaje de Silicio por el Fósforo
impurezas que permiten la aparición de electrones sin
(dopaje N). En el caso del Fósforo,
huecos asociados a los mismos. Los átomos de este se dona un electrón
tipo se llaman donantes ya que "donan" o entregan
electrones. Suelen ser de valencia cinco, como el
Arsénico y el Fósforo. De esta forma, no se ha
desbalanceado la neutralidad eléctrica, ya que el
átomo introducido al semiconductor es neutro, pero
posee un electrón no ligado, a diferencia de los
átomos que conforman la estructura original, por lo
que la energía necesaria para separarlo del átomo
será menor que la necesitada para romper una
ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor
original). Finalmente, existirán más electrones que
huecos, por lo que los primeros serán los portadores
mayoritarios y los últimos los minoritarios. La cantidad
de portadores mayoritarios será función directa de la
cantidad de átomos de impurezas introducidos.

Si en una red cristalina de silicio
Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese
(átomos de silicio enlazados entre sí)
que cada átomo
.... comparte cada uno de sus electrones con otros cuatro
átomos

.... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos
tiene 4 electrones en su capa exterior) por un átomo de
otro elemento que contenga cinco electrones en su capa
exterior, resulta que cuatro de esos electrones sirven
para enlazarse con el resto de los átomos de la red y el
quinto queda libre.

A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le denomina
"Silicio tipo N"

En esta situación hay mayor número de electrones que de huecos. Por ello
a estos últimos se les denomina "portadores minoritarios" y "portadores
mayoritarios" a los electrones

Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso de dopado son el
arsénico, el antimonio y el fósforo

Está claro que si a un semiconductor dopado se le aplica tensión en sus
bornas, las posibilidades de que aparezca una corriente en el circuito son
mayores a las del caso de la aplicación de la misma tensión sobre un
semiconductor intrínseco o puro.

TIPO P
 Se llama así al material que tiene átomos de
impurezas que permiten la formación de
huecos sin que aparezcan electrones El siguiente es un ejemplo de dopaje de
Silicio por el Boro (P dopaje). En el caso del
asociados a los mismos, como ocurre al boro le falta un electrón y, por tanto, es
romperse una ligadura. Los átomos de este donado un hueco de electrón
tipo se llaman aceptores, ya que "aceptan" o
toman un electrón. Suelen ser de valencia
tres, como el Aluminio, el Indio o el Galio.
Nuevamente, el átomo introducido es neutro,
por lo que no modificará la neutralidad
eléctrica del cristal, pero debido a que solo
tiene tres electrones en su última capa de
valencia, aparecerá una ligadura rota, que
tenderá a tomar electrones de los átomos
próximos, generando finalmente más huecos
que electrones, por lo que los primeros serán
los portadores mayoritarios y los segundos
los minoritarios. Al igual que en el material
tipo N, la cantidad de portadores mayoritarios
será función directa de la cantidad de átomos
de impurezas introducidos.

DOPAJE EN CONDUCTORES ORGÁNICOS
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 de un sistema potencialmente conductor.

Existen dos formas principales de dopar un polímero conductor, ambas mediante un
proceso 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.

HISTORIA
 El dopaje fue desarrollado originalmente por John
Robert Woodyard mientras trabajaba para la Sperry
Gyroscope Company durante la Segunda Guerra
Mundial.1 La demanda de su trabajo sobre el radar
durante la guerra no le permitió desarrollar más
profundamente la investigación sobre el dopaje,
pero durante la posguerra se generó una gran
demanda iniciada por la companía Sperry Rand, al
conocerse su importante aplicación en la
fabricación de transistores.

Si aplicamos una tensión al cristal Sentido del movimiento de un electrón y un hueco en el
silicio
de silicio, el positivo de la pila
intentará atraer los electrones y el Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy
negativo los huecos favoreciendo pequeño valor, pues son pocos los electrones que
podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de
así la aparición de una corriente a silicio. Para aumentar el valor de dicha corriente tenemos
través del circuito dos posiblidades:

Aplicar una tensión de valor superior

Introducir previamente en el semiconductor electrones o
huecos desde el exterior

La primera solución no es factible pues, aún aumentando
mucho el valor de la tensión aplicada, la corriente que
aparece no es de suficiente valor. La solución elegida es
la segunda.

En este segundo caso se dice que el semiconductor está
"dopado".

El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio
por átomos de otros elementos. A estos últimos se les
conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del
tipo de impureza con el que se dope al semiconductor
puro o intrínseco aparecen dos clases de
semiconductores.

Semiconductor tipo P

Semiconductor tipo N

Si en una red cristalina de silicio (átomos
de silicio enlazados entre sí) ....
Enlace covalente de átomos de
germanio, obsérvese que cada átomo
comparte
cada uno de sus electrones con otros
cuatro átomos

átomo de otro elemento que contenga tres
electrones en su capa exterior, resulta que estos
tres electrones llenarán los huecos que dejaron los
electrones del átomo de silicio, pero como son
cuatro, quedará un hueco por ocupar. Osea que
ahora la sustitución de un átomo por otros provoca
la aprición de huecos en el cristal de silicio. Por
tanto ahora los "portadores mayoritarios" serán los
huecos y los electrones los portadores minoritarios.

A esta red de silicio dopada con esta clase de
impurezas se le denomina "silicio tipo P"

CASO 1
Los átomo de valencia 5 tienen un electrón de más,
Impurezas de valencia 5 (Arsénico, así con una temperatura no muy elevada (a
Antimonio, Fósforo). Tenemos un temperatura ambiente por ejemplo), el 5º electrón se
cristal de Silicio dopado con hace electrón libre. Esto es, como solo se pueden
átomos de valencia 5. tener 8 electrones en la órbita de valencia, el átomo
pentavalente suelta un electrón que será libre.

Siguen dándose las reacciones anteriores. Si
metemos 1000 átomos de impurezas tendremos 1000
electrones más los que se hagan libres por
generación térmica (muy pocos).

A estas impurezas se les llama "Impurezas
Donadoras". El número de electrones libres se llama n
(electrones libres/m3).

CASO 2
Impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro,
Los átomo de valencia 3 tienen un
Galio). Tenemos un cristal de Silicio
electrón de menos, entonces como nos
dopado con átomos de valencia 3.
falta un electrón tenemos un hueco. Esto
es, ese átomo trivalente tiene 7
electrones en la orbita de valencia. Al
átomo de valencia 3 se le llama "átomo
trivalente" o "Aceptor".

A estas impurezas se les llama
"Impurezas Aceptoras". Hay tantos
huecos como impurezas de valencia 3 y
sigue habiendo huecos de generación
térmica (muy pocos). El número de
huecos se llama p (huecos/m3).

 http://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_(semiconductores)
 http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina5.
htm
 http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/tipo-P.asp
 http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/tipo-N.asp
 http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/dopado.asp
 http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina5.
htm

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