FUNDAMENTOS DE LOS SEMICONDUCTORES

Imagen de una placa electrónica donde podemos encontrar muchos semiconductores

Los dispositivos semiconductores de potencia se basan en el silicio monocristalino de alta pureza. Se cultivan monocristales de varios metros de longitud, con el diámetro requerido (hasta de 150 mm) en los llamados hornos de zona de flotación. Cada uno de esos cristales gigantescos se recortan en obleas delgadas, que a continuación pasan por numerosas etapas de proceso para convertirse en los dispositivos de potencia.

El silicio es un elemento del grupo IV de la tabla periódica; es decir, tiene cuatro electrones por átomo en su órbita externa. Un material de silicio puro se llama semiconductor intrínseco, y su resistividad es demasiado baja para ser un aislador y demasiado alta para ser un conductor. Tiene alta resistividad y una rigidez dieléctrica muy alta (más de 200 kV/cm). La resistividad de un semiconductor intrínseco, y sus portadores de carga disponibles para la conducción, se pueden cambiar, conformarse en capas y graduar por implantación de impurezas específicas. Al proceso de agregar impurezas se llama dopado, que implica agregar un átomo de la impureza por cada más de un millón de átomos de silicio. Con distintas impurezas, concentraciones y formas de dopado, alta tecnología de fotolitografía, y con corte con láser, grabado, aislamiento y empaquetado, se producen los dispositivos de potencia terminados partiendo de diversas estructuras de capas semiconductoras tipo P y tipo N.

Material tipo N 

Si el silicio puro se dopa con una pequeña cantidad de un elemento del grupo V, como fósforo, arsénico o antimonio, cada átomo del dopante forma un enlace covalente dentro de la red cristalina del silicio y queda un electrón suelto. Estos electrones sueltos aumentan mucho la conductividad del material. 

Cuando el silicio se dopa en forma leve con una impureza como fósforo, al proceso se le llama dopado N y el material que resulta se llama semiconductor tipo N. Cuando se dopa en forma intensa se denomina dopado N+, y el material se llama semiconductor de tipo N+.

Material tipo P 

Si el silicio puro se dopa con una pequeña cantidad de un elemento del grupo III, como boro, galio o indio, se introduce un sitio vacante, llamado hueco en la red cristalina del silicio. A semejanza de un electrón, se puede considerar que un hueco es un portador móvil de carga, porque puede llenarse con un electrón adyacente, el cual a su vez deja atrás un agujero. Esos huecos aumentan mucho la conductividad del material. 

Cuando el silicio dopado en forma ligera con una impureza como boro, recibe el nombre de dopado P y el material que resulta se llama semiconductor de tipo P. Cuando está muy dopado, se trata de dopado P+, y al material se le llama semiconductor de tipo P+. 

En consecuencia, hay electrones libres disponibles en un material de tipo N y huecos libres disponibles en un material de tipo P. En un material de tipo P ,a los huecos se les llama portadores de mayoría, y a los electrones se les llama portadores de minoría. 

En el material de tipo N los electrones son los portadores de mayoría y los huecos son los portadores de minoría. Esos portadores se generan en forma continua por agitaciones térmicas, se combinan y recombinan de acuerdo con su tiempo de vida y alcanzan una densidad de equilibrio de portadores entre 10¹⁰ a 10¹³ /cm³ dentro de un intervalo aproximado de 0°C hasta 1000°C. Así, un campo eléctrico aplicado puede causar el paso de corriente en un material de tipo N o de tipo P.

Resumiendo las claves de lo antes explicado podemos determinar lo siguiente:

Se obtienen electrones o huecos libres agregando impurezas al silicio o al germanio puro, mediante un proceso de dopado. Los electrones son los portadores de mayoría (o mayoritarios) en el material de tipo N, mientras que los huecos son portadores de mayoría en el material de tipo P. Así, la aplicación de un campo eléctrico puede causar un flujo de corriente en un material de tipo N o de tipo P.

Hasta aquí hemos visto los fundamentos de los semiconductores tanto los del tipo P, como los del tipo N. En nuestra próxima publicación vamos a estudisr las características del diodo semiconductor.

Escrito por Archie Tecnology

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