Semiconductores intrínsecos y los semiconductores dopados

1. Semiconductores intrínsecos
y los semiconductores
dopados
Alumno: Carlos Antonio García Vergara
Carrera: Ingeniería de Sistemas

2. Semiconductor intrínsecos
Se 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.

3. Semiconductor intrínsecos
En 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.

4. Semiconductor intrínsecos
Los 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:

5. Semiconductor intrínsecos
En 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.

6. Semiconductor intrínsecos
Si 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.

7. Semiconductor intrínsecos

8. Semiconductor intrínsecos
•
•
•
Cristales sin impurezas ni defectos en la red (idealmente claro)
Conforme la temperatura aumenta, hay generación de pares electrón-hueco.
Obviamente.

9. Semiconductor intrínsecos

10. 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.

11. 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 implicados
Partiendo 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:

12. Ecuación de conductividad en los
semiconductores intrínsecos
Nc, Nv,
Ec, Ev,
EF,
densidad de estados efectivos en las bandas de conducción y valencia.
energía del nivel inferior de la banda de conducción y del superior en la
de valencia.
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:

13. Ejercicio de Semiconductor intrínsecos
Resolvamos 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:

14. Semiconductores Dopados
En 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

15. Semiconductores Dopados
Ahora 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
exterior
La 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

16. Tipo de materiales dopantes
En 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.

17. 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.

18. 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.

19. Fuentes de información
fuentes 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/01d56993840f26d07/01d56994e30f4
0632/index.html