MATERIALES SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS

Mientras que los cuerpos buenos conductores ofrecen escasa resistencia al paso de los electrones y los aislantes elevadísima, los semiconductores presentan una resistencia intermedia entre ambos extremos.

Un elemento semiconductor es el silicio, que como podemos observar en la siguiente imagen, consta de 14 electrones y 14 protones.

Estructura atómica del silicio

La característica fundamental de los cuerpos semiconductores es la de poseer 4 electrones en su órbita de valencia. Con esta estructura el átomo es inestable, pero para hacerse estable se le presenta un dilema: “le cuesta lo mismo desprender los 4 electrones periféricos y quedarse sin una órbita, que absorber otros 4 electrones  para hacerse estable al tener la órbita de valencia 8 electrones”.

En estas especiales circunstancias, ciertos elementos como el silicio y el germanio agrupan sus átomos de modo muy particular, formando una estructura reticular en la que cada átomo queda rodeado por otros 4, como podemos ver en esta imagen.

Estructura reticular de los átomos del silicio y el germanio

Cada átomo de silicio ( Si ) ocupa siempre el centro de un cubo que posee otros 4 átomos de silicio en cuatro de sus vértices. Esta estructura cristalina obliga al átomo a estar rodeado por otros 4 iguales, propiciando la formación de los llamados “enlaces covalentes”, que de una forma simple consisten en la participación de cada electrón en dos átomos contiguos, algo así como si cada electrón periférico de cada átomo sirviese no sólo al que pertenece, sino también al contiguo. En la siguiente imagen se presenta la configuración de la estructura cristalina representada en un plano y en que se ponen de relieve sólo los electrones periféricos y los enlaces “covalentes” que forman. 

Estructura cristalina con enlaces covalentes

Cada átomo del semiconductor está rodeado por otros 4, según la figura de la imagen anterior. Cada uno de estos últimos aporta al central uno de sus electrones, formando 4 enlaces covalentes de pares de electrones que son compartidos por 2 átomos contiguos; de esta forma, el átomo se hace estable, pues se comporta como si tuviese 8 electrones periféricos.

En estas circunstancias, la estructura de los cuerpos semiconductores, al estabilizarse, debería trabajar como buen aislante, pero no es así a causa de la temperatura.

A  -273º C, o sea a 0° Kelvin, la formación de los enlaces covalentes es perfecta y la estructura es completamente estable y aislante, pero a medida que se eleva la temperatura aumenta la agitación desordenada de los electrones, con lo que algunos periféricos salen de su órbita rompiendo el enlace covalente. Cuanto más alta es la temperatura, mayor es la agitación y el número de enlaces covalentes rotos, junto con la cantidad de electrones libres.

Ejemplo de rotura de enlace covalente

La salida de un electrón del enlace covalente deja en éste un “hueco”, al que se le tratará como si fuese una carga positiva, por tener una gran apetencia a absorber un electrón libre y completar de nuevo el enlace covalente roto. Téngase presente que el hueco no existe como ente real, y si en las explicaciones posteriores parece que se le trata como tal es para facilitar únicamente la comprensión de estos temas.

Una representación más sencilla de la estructura de un semiconductor como el silicio, en el que debido al efecto de la temperatura se están produciendo roturas de enlaces covalentes y formación de pares de electrones libres-huecos, es la que se expone en la siguiente imagen.

 

Estructura de semiconductor de silicio afectado por la temperatura

En estas condiciones, a una determinada temperatura habrá dentro de la estructura cristalina una cierta cantidad de electrones libres y la misma de huecos. Concretamente a la temperatura de 17° C el germanio (Ge) tiene una concentración de 10 elevado a trece huecos o electrones por centímetro cúbico, y el silicio sólo 10 elevado a diez, por tener menos órbitas y estar la periférica por lo tanto más cerca del núcleo y más atraídos sus electrones por él.

Se insiste en que los huecos “no existen” y sólo se tratan como si fuesen cargas positivas para facilitar el estudio de los semiconductores. En la realidad, cuando se habla de un traslado de un hueco lo que está sucediendo es que un electrón se mueve en sentido contrario, como se aprecia en esta imagen, en la que al trasladarse un electrón desde un enlace hasta donde hay un hueco aparece el hueco donde estaba el electrón.

Aparición de un hueco al trasladarse un electrón

Decir que el hueco se ha trasladado de un enlace a otro es incorrecto, pues lo huecos no existen; lo que sucede realmente es que se ha trasladado en sentido opuesto un electrón.

Escrito por Archie Tecnology

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