Los semiconductores son materiales cuyo comportamiento es intermedio entre los aislantes y los conductores.
Se consideran por tener una banda prohibida apreciable. Un electrón necesitará de la banda de valencia una energía de 0,7 e-v para superar esta BP y llegar hasta la BC.
Los semiconductores más utilizados (Si, Ge) se clasifican en: intrinsecos y extrinsecos.
Semiconductores intrínsecos
Se caracterizan por tener la banda de valencia llena y la banda de conducción vacía a 0° K.
Si en este estado aumenta la temperatura, aumenta la energía asociada a los electrones. Si este aumento de energía es del orden de 1 e-v, el electrón de valencia pasa a la banda de conducción, deja un hueco que lo podrá ocupar un nuevo electrón de valencia de un nivel inferior de energía, que a su vez dejará otro hueco. Cuando esto ocurre se dice que se ha generado un par electrón-hueco.
Los pares electrón-hueco se forman por la ruptura de enlaces de un cristal al aumentar la temperatura o bien su energía por cualquier procedimiento.
El silicio, como se puede observar en el siguiente gráfico, tiene mayor BP que el germanio.
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| Silicio y Germanio |
Conducción intrínseca
Es la corriente que se obtiene en un semiconductor puro. Se le llama también corriente de fugas, y se debe a la formación de pares electrón-hueco a causa de la temperatura.
La corriente intrínseca o de fugas será mayor en el Ge que en el Si, ya que su BP es menor, luego necesita menos energía para que sus electrones cambien de banda.
Nivel de Fermi: Se define como el nivel medio de energía de los electrones encargados de la conducción.
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| Nivel de Fermi |
Si aumenta la temperatura habrá electrones suficientes como para pasar a la BC
y al hacerlo dejarán los correspondientes huecos en la BV.
Este hueco se cubrirá con un electrón próximo, estableciéndose una corriente de electrones, y otra de huecos en sentido contrario.
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| Corriente de fuga o intrínseca |
Se le llama Is a la corriente de fuga o intrínseca.
En el germanio, Is se duplica cada 10° C y es del orden de uA.
En el silicio, Is a temperatura ambiente es del orden de pA y se duplica cada 6° C.
Aunque en el silicio crece Is más deprisa con la temperatura que en el germanio, se prefiere éste, pues la Is es menor hasta temperaturas del orden de 180° C.
Semiconductores extrínsecos
Se forman añadiendo a los intrínsecos unas impurezas muy determinadas.
El orden de la mezcla es de 1/10 elevado a 6; como se ve, es una proporción muy pequeña, y
se denomina dopado. Las propiedades vienen precisamente de esta proporción.
Estos semiconductores se clasifican en: tipo N y tipo P.
Semiconductores extrínsecos tipo N
Se obtienen añadiendo a un semiconductor intrínseco (Ge o Si) impurezas, como el arsénico, que tiene cinco electrones de valencia.
Tanto el germanio como el silicio tienen en su último estado energético cuatro electrones y el enlace es de tipo covalente. El As tiene cinco electrones en su último estado, luego un electrón queda fuera de los enlaces, este electrón goza de gran libertad, ya que no está ligado a ningún enlace; su posición es intermedia entre la BC y la BV por su nivel energético.
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| Electrón libre de enlace |
Los cinco electrones de los átomos de arsénico constituyen una serie de niveles adicionales de energía y su efecto es el de disminuir la banda prohibida.
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| Niveles donadores y banda prohibida |
Con el arsénico, las impurezas son donadoras, dan electrones, y por ello se denominan semiconductor tipo N, pues ceden cargas negativas.
Dentro del semiconductor tipo N existen:
-Átomos de germanio.
-Átomos de As, que al perder sus cinco electrones se ionizan generando un ión positivo fijo.
-Hay, asimismo, electrones libres con unos niveles energéticos intermedios entre la BV y la BC y que hacen que disminuya la BP.
El nivel de Fermi ha variado, es normal, pues con estas impurezas ahora es un cuerpo distinto y depende del material en cuestión.
Ahora estos electrones, con una pequeña energía, pasan a la banda de conducción estableciéndose una corriente.
Asimismo, si la energía es suficiente pasarán electrones de la BV a la BC creándose lo que se llama par electrón-hueco.
A la banda de conducción llegan electrones procedentes de los niveles donadores y de la banda de valencia.
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| Niveles energéticos donadores |
En el semiconductor tipo N se dan dos tipos de cargas:
-Los huecos, que son las cargas minoritarias.
-Los electrones, que son las cargas mayoritarias.
Los electrones son cargas mayoritarias, ya que se suman los procedentes de los
niveles donadores más los formados por los pares electrón-hueco.
Los huecos son cargas minoritarias, ya que únicamente se forman debido a los
pares electrón-hueco.
Semiconductores extrínsecos tipo P
Se forman al añadir al semiconductor intrínseco impurezas trivalentes (esto es, que tengan tres electrones de valencia) como el Ga, Al, etc.
Cada átomo de impureza forma parte del cristal de Si. Sus tres electrones del último estado forman enlace con los cuatro electrones de los átomos vecinos del Si, quedando la estructura incompleta.
Teniendo el átomo de impureza un hueco, existe la posibilidad de captar un electrón y completar el enlace.
Vemos cómo el hueco permite ser cubierto por un electrón próximo con una energía determinada.
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| Niveles aceptadores |
El movimiento es de electrones y al cubrir un electrón el hueco, el átomo de Ga se ioniza negativamente.
Estos huecos se manifiestan como niveles energéticos adicionales por encima de la BV y muy próximos a ella, con lo que la banda prohibida disminuye.
Los electrones de la BV pasan al nivel aceptador dejando lugares libres que serán ocupados por los electrones de la BV de menor nivel.
Debido a la temperatura puede haber electrones de la BV capaces de pasar a la BC, creándose un par electrón-hueco.
En el semiconductor tipo P se dan dos tipos de cargas:
- Los huecos, que son cargas mayoritarias.
- Los electrones, que son cargas minoritarias.
En realidad, los que se mueven son los electrones, pero se puede considerar que los que lo hacen son los huecos en sentido contrario.
La distribución de energías del semiconductor P en el gráfico de Fermi es el de la siguiente imagen.
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| Gráfico de Fermi |
Los huecos (h) que se representan en la BV se deben a los electrones que van a cubrir los huecos de la impureza y a los debidos a la formación de pares electrón-hueco por efecto de la temperatura.
Los huecos de los niveles aceptadores se deben al enlace que queda sin completar por tener el Ga tres electrones en su último estado energético.
Así pues, se dan dos fenómenos en los semiconductores extrínsecos:
-La creación de niveles adicionales entre las BV y BC que disminuyen la BP al introducir impurezas, favoreciendo el establecimiento de una corriente.
-La creación de pares electrón-hueco, debido normalmente a la acción de la temperatura, que produce una corriente Is, llamada inversa o de fugas.
Escrito por Archie Tecnology
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Buena información, de gran ayuda
ResponderEliminarPublicáis buenos tutoriales, les felicito
ResponderEliminarMuy buen artículo
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