SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS TIPOS P Y N

Debido a la estructura reticular del germanio y el silicio, cuyos átomos forman el centro de un cubo en el que existen otros 4 átomos en 4 de sus vértices, y a la compartición de electrones por medio de los enlaces covalentes, estos dos cuerpos simples forman una red atómica muy estable, en la que cada uno de sus átomos posee 8 electrones de valencia, comportándose como aislante. Aunque cada átomo sólo tiene 4 electrones de valencia, al compartir un electrón con cada uno de los átomos que lo rodean, constituyendo los enlaces covalentes, se comporta como átomo estable de 8 electrones periféricos, según el esquema simplificado de la siguiente imagen.

Estructura reticular del germanio y el silicio

Un cuerpo con esta constitución atómica es muy estable y por lo tanto, aislante, puesto que tiene bien sujetos a todos los electrones de valencia; no obstante, como explicamos en post anteriores, los enlaces covalentes se debilitaban y podían perder electrones en función de la temperatura que reinase en la estructura cristalina. Por este motivo, al aplicar una diferencia de potencial a un semiconductor intrínseco se conseguía el paso de una corriente proporcional a la temperatura, pero que, dado su escaso valor, no era útil. Por eso, para la fabricación de los diferentes tipos de componentes electrónicos de semiconductor, se utilizan los extrínsecos, que se exponen a continuación.

Semiconductor Extrínseco de tipo N

Comoquiera que las corrientes que se producen en el seno de un semiconductor intrínseco a la temperatura ambiente son insignificantes, dado el bajo valor de portadores libres, que en el caso del Ge es de 10 elevado a trece y en el del Si de 10 elevado a diez por centímetro cúbico, para aumentarlas se les añaden otros cuerpos, que se denominan “impurezas”.

El átomo de antimonio (Sb) se dice que es pentavalente porque dispone de 5 órbitas y la más externa contiene 5 electrones. Si a la estructura ya conocida del semiconductor intrínseco (germanio o silicio puro) se añaden átomos de Sb en una ínfima proporción, cada átomo de impureza se asienta en la estructura cristalina ocupando un puesto similar al que ocuparía otro átomo de Ge o de Si, quedando por este motivo rodeado por 4 átomos de semiconductor que tratan de formar con él los 4 enlaces covalentes necesarios para la estabilización.

En la siguiente figura  se presenta la estructura cristalina del Si en la cual se ha introducido un átomo de impureza Sb, hecho por el que recibe el nombre de “semiconductor extrínseco”. Como se aprecia en el dibujo, el átomo de Sb no sólo cumple con los 4 enlaces covalentes, sino que aún le sobra un electrón, que tiende a salirse de su órbita para que quede estable el átomo de Sb. Por cada átomo de impureza añadido aparece un electrón libre en la estructura. Aunque se añaden impurezas en relación de 1 a 1.000.000, en la estructura del silicio, además de los 10 elevado a diez electrones y 10 elevado a diez huecos libres que existían por cm cúbico a la temperatura ambiente, hay ahora que sumar una cantidad de electrones libres equivalente a la de átomos de impureza. En estas condiciones, el Si con impurezas de Sb alcanza 10 elevado a dieciséis electrones libres y 10 elevado a diez huecos libres por centímetro cúbico, siendo en consecuencia el número de portadores eléctricos negativos mucho mayor que el de los positivos, por lo que los primeros reciben la denominación de “portadores mayoritarios”, y los segundos de “minoritarios” y por el mismo motivo se le asigna a este tipo de semiconductores extrínsecos la clasificación de “tipo N”.

Estructura cristalina del Silicio

En la siguiente imagen,  se establecen las características fundamentales del semiconductor intrínseco y del extrínseco de tipo N.

Características fundamentales de los semiconductores intrínseco y extrínseco de tipo N

En la imagen anterior se aprecia que tanto en el semiconductor intrínseco como en el extrínseco existen diversas cantidades de portadores de carga positivos y negativos, pero en conjunto la estructura siempre es neutra, ya que está formada átomos completos que, aunque hayan perdido cierta cantidad de electrones, éstos permanecen en la estructura, siendo en el cómputo final el número de electrones igual al de protones.

Resumiendo lo explicado hasta ahora, el semiconductor extrínseco de tipo N se forma añadiendo impurezas pentavalentes al semiconductor intrínseco, con lo que aparece en la estructura un considerable número de electrones libres (portadores mayoritarios) en comparación de los huecos libres (portadores minoritarios).

Semiconductor extrínseco de tipo P

El boro es un elemento trivalente, al igual que el aluminio, por disponer de 3 electrones en la órbita de valencia, como se  representa en la siguiente imagen.

Boro y Aluminio, elementos trivalentes

Al añadir impurezas trivalentes al semiconductor intrínseco y entrar éstas a formar parte de la estructura cristalina, quedan dichas impurezas rodeadas por 4 átomos de Si o Ge,  con los que ha de formar 4 enlaces covalentes, cosa que puede realizar con 3 ellos, dejando un enlace covalente a falta de un electrón, o sea, con lo que se había llamado un “hueco”, tal y como podemos ver en la siguiente figura.

Adicción de impurezas trivalentes a un semiconductor intrínseco

Por cada átomo de impureza trivalente que se añade al semiconductor intrínseco aparece en la estructura un hueco, o, lo que es lo mismo, la falta de un electrón. Añadiendo un átomo de impureza trivalente por cada millón de átomos de semiconductor existen 10 elevado a dieciséis  huecos libres y 10 elevado a diez electrones libres por centímetro cúbico a la temperatura ambiente, como se indica en esta imagen.

Esquema semiconductor extrínseco tipo P al añadir un átomo de impureza trivalente

Como en este semiconductor hay mayor número de cargas positivas o huecos, se les denomina a éstos “portadores mayoritarios”, mientras que los electrones libres, únicamente propiciados por los efectos de la agitación térmica son los “portadores minoritarios”. Por esta misma razón, el semiconductor extrínseco así  formado recibe el nombre de semiconductor de “tipo P”, siendo neutro el conjunto de la estructura, al igual que sucedía con el tipo N.

Escrito por Archie Tecnology

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