FUNDAMENTOS DE SEMICONDUCTORES

Los elementos semiconductores son materiales con coeficientes de resistividad de valores intermedios entre los materiales conductores y los aislantes. Dicho de otro modo son materiales que en circunstancias normales no conducen la electricidad, pero que al variar algn parmetro dependiente (luz, temperatura) vuelve a comportarse como conductor

La construccin de cualquier dispositivo electrnico discreto (individual) de estado slido (estructura de cristal duro) o circuito integrado, se inicia con un material semiconductor de la ms alta calidad.

Los semiconductores son una clase especial de elementos cuya conductividad se encuentra entre la de un buen conductor y la de un aislante.

En general, los materiales semiconductores caen dentro de una de dos clases: de un solo cristal y compuesto. Los semiconductores de un solo cristal como el germanio (Ge) y el silicio (Si) tienen una estructura cristalina repetitiva, en tanto que compuestos como el arseniuro de galio (GaAs), el sulfuro de cadmio (CdS), el nitruro de galio (GaN) y el fosfuro de galio y arsnico (GaAsP) se componen de dos o ms materiales semiconductores de diferentes estructuras atmicas.

Los tres semiconductores ms frecuentemente utilizados en la construccin de dispositivos electrnicos son Ge, Si y GaAs.

ENLACE COVALENTE

Para apreciar plenamente por qu Si Y Ge son los semiconductores ms utilizados por la industria electrnica, hay que entender la estructura atmica de cada uno y cmo estn enlazados los tomos entre s para formar una estructura cristalina. Todo tomo se compone de tres partculas bsicas: electrn, protn y neutrn. En la estructura entrelazada, los neutrones y los protones forman el ncleo; los electrones aparecen en rbitas fijas alrededor de ste. El modelo de Bohr de los tres materiales.

Como se muestra en la figura el tomo de silicio con 14 electrones, tiene cuatro electrones en su ltima capa y el tomo de Germanio tiene 32 electrones distribuidos en sus orbita de igual manera, ambos tomos tienen un total de cuatro electrones en su ltima capa a estos electrones se les conoce como electrones de valencia

Enlace covalente del tomo de silicio 1En un cristal de silicio o germanio puro los cuatro electrones de valencia forman un arreglo con otros cuatro electrones de otro tomo del mismo elemento, a este enlace de electrones adyacentes se conoce como enlace covalente en el cual se produce un proceso de intercambio de electrones de un tomo a otro, el intercambio de electrones se produce por electrones libres que rompen el estado de enlace debido a que adquieren suficiente energa cintica para salir de la estructura entrelazada fija y este electrn libre es sensible a cualquier campo elctrico como por ejemplo los creados por las fuentes de voltaje . Tambin existen causas externas por la que un electrn se libera del enlace como es el caso de un rayo solar, en el cual existe energa luminosa en forma de fotones que hace que un electrn se libere del estado entrelazado.

SEMICONDUCTORES INTRINSECOS

Un material semiconductor hecho de un solo tomo, se llama semiconductor intrnseco.http://pelandintecno.blogspot.com/2014/04/semiconductores-intrinsecos-y.html

Los ms empleados histricamente son el germanio (Ge) y el silicio (Si); siendo ste ltimo el ms empleado (por ser mucho ms abundante y poder trabajar a temperaturas mayores que el germanio).Cada tomo de un semiconductor tiene 4 electrones en su rbita externa (electrones de valencia), que comparte con los tomos adyacentes formando 4 enlaces covalentes. De esta manera cada tomo posee 8 electrones en su capa ms externa., formando una red cristalina, en la que la unin entre los electrones y sus tomos es muy fuerte. Por consiguiente, en dicha red, los electrones no se desplazan fcilmente, y el material en circunstancias normales se comporta como un aislante. Sin embargo, al aumentar la temperatura, los electrones ganan energa, por lo que algunos pueden separarse del enlace e intervenir en la conduccin elctrica. De esta manera, la resistividad de un semiconductor disminuye con la temperatura (su conductividad aumenta). A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energa calorfica para librarse del enlace covalente y moverse a travs de la red cristalina.

Convirtindose en electrones libres. Si a estos electrones, se les somete al potencial elctrico, como por ejemplo de una pila, se dirigen al polo positivo. Cuando un electrn libre abandona el tomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, cuyo efecto es similar al que provocara una carga positiva. Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. La conduccin elctrica a travs de un semiconductor es el resultado del movimiento de electrones (de carga negativa) y de los huecos (cargas positivas) en direcciones opuestas al conectarse a un generador. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes elctricas: una debida al movimiento de los electrones libres de la estructura cristalina, y otra debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tendern a saltar a los huecos prximos, originando una corriente de huecos.

SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS

Para mejorar las propiedades de los semiconductores, se les somete a un proceso de impurificacin (llamado dopaje), consistente en introducir tomos de otros elementos con el fin de aumentar su conductividad. El semiconductor obtenido se denominar semiconductor extrnseco. Segn la impureza (llamada dopante) distinguimos:

Semiconductor tipo P: se emplean elementos trivalentes (3 electrones de valencia) como el Boro (B), Indio (In) o Galio (Ga) como dopantes. Puesto que no aportan los 4 electrones necesarios para establecer los 4 enlaces covalentes, en la red cristalina stos tomos presentarn un defecto de electrones (para formar los 4 enlaces covalentes). De esa manera se originan huecos que aceptan el paso

de electrones que no pertenecen a la red cristalina. As, al material tipo P tambin se le denomina donador de huecos (o aceptador de electrones). http://pelandintecno.blogspot.com/2014/04/semiconductores-intrinsecos-y.html Semiconductor tipo N: Se emplean como impurezas elementos pentavalentes (con 5 electrones de valencia) como el Fsforo (P), el Arsnico (As) o el Antimonio (Sb). El donante aporta electrones en exceso, los cuales al no encontrarse enlazados, se movern fcilmente por la red cristalina aumentando su conductividad. De ese modo, el material tipo N se denomina tambin donador de electrones.