Semiconductores intrínsecos y los semiconductores

dopados

Alumno: Carlos Antonio García VergaraCarrera: Ingeniería de Sistemas

Semiconductor intrínsecosSe dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción.Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la ilustración, los átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.

Semiconductor intrínsecosEn un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente total resultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares, por lo tanto hay tantos electrones libres como huecos con lo que la corriente total es cero.La tensión aplicada en la figura forzará a los electrones libres a circular hacia la derecha (del terminal negativo de la pila al positivo) y a los huecos hacia la izquierda.

Semiconductor intrínsecosLos elementos semiconductores por excelencia son el silicio y el germanio, aunque existen otros elementos como el estaño, y compuestos como el arseniuro de galio que se comportan como tales.

Tomemos como ejemplo el silicio en su modelo bidimensional:

Semiconductor intrínsecosEn la imagen anterior vemos como cada átomo de silicio se rodea de sus 4 vecinos próximos con lo que comparte sus electrones de valencia.

A 0ºK todos los electrones hacen su papel de enlace y tienen energías correspondientes a la banda de valencia. Esta banda estará completa, mientras que la de conducción permanecerá vacía. Es cuando hablamos de que el conductor es un aislante perfecto.

Ahora bien, si aumentamos la temperatura, aumentará por consiguiente la energía cinética de vibración de los átomos de la red, y algunos electrones de valencia pueden absorber de los átomos vecinos la energía suficiente para liberarse del enlace y moverse a través del cristal como electrones libres. Su energía pertenecerá a la banda de conducción, y cuanto más elevada sea la temperatura más electrones de conducción habrá, aunque ya a temperatura ambiente podemos decir que el semiconductor actúa como conductor.

Semiconductor intrínsecosSi un electrón de valencia se convierte en electrón de conducción deja una posición vacante, y si aplicamos un campo eléctrico al semiconductor, este “hueco” puede ser ocupado por otro electrón de valencia, que deja a su vez otro hueco. Este efecto es el de una carga +e moviéndose en dirección del campo eléctrico. A este proceso le llamamos ‘generación térmica de pares electrón-hueco’.

Paralelamente a este proceso se da el de ‘recombinación’.Algunos electrones de la banda de conducción pueden perder energía(emitiéndola en forma de fotones, por ejemplo), y pasar a la de valencia ocupando un nivel energético que estaba libre, o sea , “ recombinándose” con un hueco. A temperatura constante, se tendrá un equilibrio entre estos dos procesos, con el mismo número de electrones en la banda de conducción que el de huecos en la de valencia.

Este fenómeno de la conducción asociada a la formación de pares en el semiconductor se denomina conducción intrínseca.

Semiconductor intrínsecos

Semiconductor intrínsecos• Cristales sin impurezas ni defectos en la red (idealmente claro)• Conforme la temperatura aumenta, hay generación de pares

electrón-hueco.• Obviamente.

Semiconductor intrínsecos

Ecuación de conductividad en los semiconductores intrínsecos

En el proceso de conducción eléctrica de un semiconductor intrínseco, electrones y huecos se mueven por la acción del campo eléctrico exterior. Los electrones, procedentes de la rotura de un enlace por efectos térmicos, se mueven hacia el polo positivo y lo huecos, también generados por ese efecto térmico, hacia el negativo. El hueco no es una partícula real sino que lo interpretamos en términos de "falta de un electrón".El movimiento del hueco se visualiza en la figura. En el átomo A se localiza un hueco por la falta de un electrón de valencia, que se halla promocionado a la B.C. (a). El campo eléctrico provoca que un electrón de valencia del átomo B emigre hacia A. El hueco aparece ahora en B (b). Análogamente, la acción de la tensión exterior aplicada hace que un electrón de valencia de C se posicione sobre B, con lo que el hueco se localiza en ese momento sobre C (c). El efecto es que el movimiento de electrones asociados a enlaces de átomos vecinos da como resultado el movimiento del hueco en la dirección del campo eléctrico, mientras que los electrones agitados térmicamente, liberados en la banda de conducción, lo harán en contra.

Ecuación de conductividad en los semiconductores intrínsecos

Los semiconductores intrínsecos obedecen al mecanismo conductor intrínseco: los agentes conductores son los electrones y huecos que el material es capaz de generar térmicamente. La ecuación de conductividad debe contemplar básicamente:• La concentración de portadoras de carga libre.• Situación de equilibrio térmico-eléctrico.• Los niveles de energía implicadosPartiendo del modelo clásico, la conductividad total será la suma de las contribuciones individuales de cada tipo de portador de carga libre, según la expresión:

en la que n y p son las concentraciones volumétricas de electrones y huecos, mn y mp las movilidades de electrones y huecos, e la carga del electrón y del hueco.Mediante la combinación de la mecánica cuántica y la estadística de Fermi-Dirac, la concentración de electrones y huecos viene dada por:

Ecuación de conductividad en los semiconductores intrínsecos

Nc, Nv, densidad de estados efectivos en las bandas de conducción y valencia.

 Ec, Ev, energía del nivel inferior de la banda de conducción y del superior en la de valencia.

 EF, energía del nivel de Fermi: EF = (Ec + Ev)/2, para semiconductores intrínsecos.

La generación y recombinación de los portadores está sometida a las leyes del equilibrio termodinámico, de manera que ambas poblaciones siguen la ley de acción de masas o del equilibrio:

en la que ni representa la concentración intrínseca de portadores de carga libre. Teniendo en cuenta que en condiciones de equilibrio n = p = ni, la combinación de las tres últimas ecuaciones nos da la concentración de portadores de carga libre de un semiconductor intrínseco:

en la que Eg = Ec - Ev representa la energía del intervalo prohibido. Como expresión final de la conductividad en un semiconductor intrínseco:

o de forma sintética y simplificada, englobando las magnitudes no exponenciales en s0:

Ejercicio de Semiconductor intrínsecosResolvamos un ejercicio típico. Calcular la resistividad de los semiconductores intrínsecos GaAs y Si a temperatura ambiente, 300 K. Los datos necesarios se aportan en la siguiente tabla. El valor de las constantes son K=8.63·10-5 eV/K, e=1.6·10-19 C.

En ambos casos, bastará con aplicar la ecuación 10.21, con el correspondiente cambio de unidades para la densidad de estados y las movilidades. En el caso del silicio:

Para el arseniuro de galio tendremos:

Semiconductores DopadosEn la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar. A los semiconductores con dopajes ligeros y moderados se los conoce como extrínsecos. Un semiconductor altamente dopado, que actúa más como un conductor que como un semiconductor, es llamado degenerado.Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de la pila intentará atraer los electrones y el negativo los huecos favoreciendo así la aparición de una corriente a través del circuito

Sentido del movimiento de un electrón y un hueco en el silicio

Semiconductores DopadosAhora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos los electrones que podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar el valor de dicha corriente tenemos dos posibilidades:

• Aplicar una tensión de valor superior• Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos

desde el exteriorLa primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el valor de la tensión aplicada, la corriente que aparece no es de suficiente valor. La solución elegida es la segunda.En este segundo caso se dice que el semiconductor está "dopado". El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores.

• Semiconductor tipo P• Semiconductor tipo N

Tipo de materiales dopantesEn la práctica, para mejorar la conductividad eléctrica de los semiconductores, se utilizan impurezas añadidas voluntariamente. Esta operación se denomina dopado, utilizándose dos tipos:

• Impurezas pentavalentes. Son elementos cuyos átomos tienen cinco electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el fósforo, el antimonio y el arsénico.

• Impurezas trivalentes. Son elementos cuyos átomos tienen tres electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el boro, el galio y el indio.

Cuando un elemento con cinco electrones de valencia entra en la red cristalina del silicio, se completan los cuatro electrones de valencia que se precisan para llegar al equilibrio y queda libre un quinto electrón que le hace mucho mejor conductor. De un semiconductor dopado con impurezas pentavalentes se dice que es de tipo N.

Tipo de materiales dopantes

En cambio, si se introduce una impureza trivalente en la red cristalina del silicio, se forman tres enlaces covalentes con tres átomos de silicio vecinos, quedando un cuarto átomo de silicio con un electrón sin enlazar, provocando un hueco en la red cristalina. De un semiconductor dopado con impurezas trivalentes se dice que es de tipo P.

Tipo de materiales dopantes

Unión PN

Cuando a un material semiconductor se le introducen impurezas de tipo P por un lado e impurezas tipo N por otro, se forma una unión PN .

Los electrones libres de la región N más próximos a la región P se difunden en ésta, produciéndose la recombinación con los huecos más próximos de dicha región. En la región N se crean iones positivos y en la región P se crean iones negativos. Por el hecho de formar parte de una red cristalina, los iones mencionados están interaccionados entre sí y, por tanto, no son libres para recombinarse.

Por todo lo anterior, resulta una carga espacial positiva en la región N y otra negativa en la región P, ambas junto a la unión. Esta distribución de cargas en la unión establece una «barrera de potencial» que repele los huecos de la región P y los electrones de la región N alejándolos de la mencionada unión. Una unión PN no conectada a un circuito exterior queda bloqueada y en equilibrio electrónico a temperatura constante.

Fuentes de informaciónfuentes de información de semiconductores intrínsecos• http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_4.htm• http://fisicauva.galeon.com/aficiones1925812.html• http://www.ua.es/• http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm08/pfcm8_4_4.html• http://electromagnetismo.wikispaces.com/file/view/SemiconductoresI.pdf

Dopado de un semiconductor• http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina5.htm• http://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_%28semiconductores%29• http://www.profesormolina.com.ar/electronica/componentes/semicond/

dopado.htm• http://www.etitudela.com/Electrotecnia/electronica/

01d56993840f26d07/01d56994e30f40632/index.html