semiconductores

1. Informe
“semiconductores”
Nombres:
Curso:
Docente:
Temuco, 2015

2. Introducción
En este informe daremos a conocer el concepto central semiconductores sus
características y funciones principales además del estudio de las propiedades físicas de los
materiales semiconductores y sus sorprendentes aplicaciones.
Para tener una idea de la real magnitud de esta revolución pensemos por un momento en
los transistores, probablemente la aplicación tecnológica más importante de los
semiconductores. Cualquier habitante del mundo moderno se encuentra rodeado
cotidianamente por millones de transistores. Están en el televisor, en el equipo de música,
en la máquina de lavar.
Un computador personal puede llegar a tener algunos miles de millones de transistores. De
hecho, en el mundo existen muchos más transistores que personas.
En su mayoría los chips y transistores “semiconductores” son creados en base al silicio. Lo
cierto es que este elemento ha adquirido gran importancia en la electrónica actual, y por
ende, en la tecnología.
La gran mayoría de los dispositivos de estado sólido que actualmente hay en el mercado se
fabrican con un tipo de materiales conocidos como semiconductores. De ahí que vamos a
empezar nuestro estudio examinando las propiedades físicas de dichos elementos.
Estudiaremos las características de los materiales que nos permiten distinguir un
semiconductor de un aislante y de un conductor y veremos, además, el dopado de un
semiconductor con impurezas para controlar su funcionamiento

3. ¿Qué son semiconductores?
Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de
un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante.
El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la
naturaleza, después del oxígeno .Otros semiconductores son el germanio y el selenio.
Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones,
denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la que
cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos,
formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia
absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través
de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, que han roto
el enlace covalente, se les somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo
positivo.
Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina
un hueco, que con respecto a los electrones próximos tiene efectos similares a los que
provocaría una carga positiva. Los huecos tienen la misma carga que el electrón pero con
signo positivo. El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los
siguientes fenómenos: - Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen
hacia el polo positivo de la pila. - Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen
hacia el polo negativo de la pila. - Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el
circuito cerrado, siendo constante en todo momento el número de electrones dentro del
cristal de silicio. - Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el
conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica.
Semiconductores
Lugar que ocupan en la tabla periódica los trece elementos con
características de semiconductor, identificados con su número
atómico y grupo al que pertenecen.
- Gris (metales)
- Amarillos (metaloides)
- Azul (no metales)
Propiedades semiconductores
 Los semiconductores posibilitan el poder de modificar su resistividad de manera
controlada entre márgenes muy amplios.
 En un semiconductor formado por dos elementos químicos diferentes la asimetría
conlleva en general una cierta pérdida de carácter covalente puro, en el sentido de
desplazar el centro de gravedad de la carga hacia uno u otro átomo.
 Los semiconductores son elementos que en su última capa tienen 4
electrones por lo que se pueden comportar en determinadas condiciones
como aislantes o como conductores dependiendo que uso se les quiera dar
estos materiales son los más utilizado para fabricar los diodos y transistores.

4. ¿Qué es un transistor?
Un transistor es un aparato que funciona en base a un dispositivo semiconductor que cuenta
con tres terminales, los que son utilizados como amplificador e interruptor.
Estos se comportan como parte fundamental de aparatos electrónicos, un ejemplo seria en
aparatos digitales este se utiliza como interruptor, pero a su vez les da otros usos que
guardan relación con memorias ram y puertas lógicas.
Características:
El consumo de energía es relativamente baja.
El tamaño de los transistores es relativamente más pequeña que los tubos de vacío.
El peso.
Una vida larga útil
Puede permanecer mucho tiempo en depósito (almacenamiento).
No necesita tiempo de calentamiento.
Resistencia mecánica elevada.
Los transistores pueden reproducir el fenómeno de la foto sensibilidad (fenómenos
sensibles a la luz).
Existen varios tipos de transistores, entre los que se encuentran los bipolares (surgen a
partir de unión de tres cristales de material semiconductor), los de efecto campo (se
encuentran en calculadoras, radios y tv, etc.)

5. 
Resistencia de materiales semiconductores
Tienen una resistividad entre 1 y 10000 (ohmio*m). En este grupo se encuentran
principalmente el germanio y el silicio. Estos materiales son de gran importancia, sobre todo
el silicio, ya que es la base de la fabricación de los componentes electrónicos.
Comportamiento eléctrico
El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los siguientes
fenómenos:
 Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el
polo positivo de la pila.
 Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo
de la pila.
 Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito
cerrado, siendo constante en todo momento el número de electrones
dentro del cristal de silicio.
 Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el
conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la
corriente eléctrica.

6. Modelo de banda de energía.
Las energías que tienen los electrones en el cristal son semejantes a la que tienen
en los átomos libres, pero los electrones deben obedecer al principio de exclusión de
Pauli (no pueden haber dos “e-” en el mismo estado cuántico)
Principio de Pauli: Este principio de la cuántica dice que dos partículas
(concretamente fermiones) que tiene los números cuánticos con los que constan
idénticos, no pueden existir.
- En los sólidos, debido a la interacción entre los átomos que forman el cristal,
aparece un desbordamiento de estados (desbordamiento de energías.)
- Cada nivel en el átomo forma una banda.

7. Semiconductores de tipo N (negativo) y P (positivo)
Semiconductor Tipo N: se obtiene
llevando a cabo un proceso de dopado
añadiendo un cierto tipo de atomos al
semiconductor para poder aumentar el
número de portadores de cargas
libres(negativos), el propósito del dopaje
tipo N es productor abundancia de
electrones portadores en el material.
Semiconductor Tipo P: se obtiene en un
proceso de dopado igualmente, además de
añadir átomos al semiconductor para
aumentar las cargas libre(positivos), el
dopaje para el tipo P es para crear
abundancia de huecos.
Se emplea para mejorar la conductividad eléctrica de los semiconductores, se utilizan
impurezas añadidas voluntariamente. Esta operación se denomina dopado,
utilizándose dos tipos:
 Impurezas pentavalentes.
 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
Semiconductores intrínsecos
Son materiales 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 banda de valencia al atravesar la banda prohibida
será igual a la cantidad de electrones libre que se encuentran presentes en la
banda de conducción.
Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solo por átomos
de silicio (si) que forman una celosía. (Estructura reticular de barras rectas
interconectadas en nodos formando triángulos planos).

8. Semiconductores extrínsecos Tipo P
En este caso son los que están dopados con elementos trivalentes, (Al, B, Ga).
Esto hace que los electrones salten a las vacantes con facilidad, dejando huecos
en las bandas de valencia, y siendo los huecos portadores mayoritarios.
Trivalente
Son los que a la hora de formar una estructura cristalina, dejen una vacante con un
nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia, pues no existe el
cuarto electrón que lo llenaría.
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 ya que este conduce fundamentalmente, aunque no de forma exclusive, mediante
los huecos cargados positivamente.

9. Semiconductores extrínsecos Tipo N
Son los que están dopados, con elementos pentavalentes (As, P, Sb). Como ahora
en el semiconductor existe un mayor número de electrones que de huecos, se dice
que los electrones son los portadores mayoritarios, y a las impurezas se les llama
donadoras.
En cuanto a conductividad aumenta de forma elevada.
Pentavalentes
Se dice que es de tipo N. A temperatura ambiente e incluso inferior, este electrón
se libera con facilidad y puede entonces moverse por la red cristalina, por lo que
constituye un portador. Es importante señalar que, cuando se libera este electrón,
en la estructura de enlaces no queda ninguna vacante en la que pueda caer otro
electrón ligado.

10. 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 síy, 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.

11. Unión PN polarizada en
directo
Si se polariza la unión PN en sentido directo, es decir, el polo positivo de la pila a
la región P y el polo negativo a la región N, la tensión U de la pila contrarresta la
(barrera de potencial) creada por la distribución espacial de cargas en la unión,
desbloqueándola, y apareciendo una circulación de electrones de la región N a la
región P y una circulación de huecos en sentido contrario. Tenemos así una
corriente eléctrica de valor elevado, puesto que la unión PN se hace
conductora, presentando una resistencia eléctrica muy pequeña. El flujo de
electrones se mantiene gracias a la pila que los traslada por el circuito exterior
circulando con el sentido eléctrico real, que es contrario al convencional
establecido para la corriente eléctrica.
Unión PN polarizada en
inverso
Si se polariza la unión PN en sentido inverso, es decir, el polo positivo de la pila a
la región N y el polo negativo a la región P, l a tensión U de la pila ensancha la
( barrera de potencial) creada por la distribución espacial de cargas en la unión,
produciendo un aumento de iones negativos en la región P y de iones positivos en
la región N, impidiendo la circulación de electrones y huecos a través de la unión.
La unión PN se comporta de una formaasimétrica respectode la conducción eléctrica;
dependiendo del sentidode la conexión, se comporta cornoun buen conductor
(polarizada en directo)o comoun aislante (polarizada en inverso).

12. APLICACIONES PARA DIODOS DE UNION P-N.
 Diodos rectificadores: Uno de los usos más importantes de estos diodos de unión
p-n es convertir corriente alterna en corriente continua, lo que se conoce como
rectificación. Al aplicar una señal de corriente alterna a un diodo de unión p-n, este
conducirá sólo cuando la región p tenga aplicado un voltaje positivo con respecto a la
región n, por lo que se produce una rectificación de media onda. Esta señal se suaviza
con otros dispositivos y circuitos electrónicos, para dar una corriente continua estable.
 Diodos de avalancha: También se les llama diodos zener; son rectificadores de Si.
En la polarización inversa se produce una pequeña fuga de corriente, debido al
movimiento de electrones y huecos térmicamente activados. Al hacerse demasiado
grande la polarización inversa, cualquier portador que llegue a fugarse se acelerara lo
suficiente para excitar a portadores de carga, causando una corriente elevada en dirección
inversa. Debido a este fenómeno se pueden diseñar dispositivos limitadores de voltaje. Al
dopar adecuadamente la unión p-n, se puede seleccionar el voltaje de avalancha o de
ruptura. Al aumentar mucho el voltaje, por encima del de ruptura, fluirá una corriente
elevada a través de la unión, así se evita que pase por el resto del circuito; por eso se
utilizan para proteger circuitos contra voltajes accidentales.
TRANSISTOR DE UNION BIPOLAR.
Un transistor de unión bipolar es un apilamiento de materiales semiconductores en
secuencia n-p-n-p-n-p. En el transistor se pueden distinguir tres zonas:
 Emisor: emite portadores de carga, como es de tipo n, emite electrones.
 Base: controla el flujo de los portadores de carga, es de tipo p. Esta se hace muy
delgada (del orden de 10-3
cm de espesor) y se dopa, de forma que solo una pequeña
fracción de los portadores que viene del emisor se combinará con los portadores
mayoritarios de la base con carga opuesta.
 Colector: recoge los portadores de carga provenientes del emisor; la zona del
colector es del tipo n, recoge electrones.

13. Aplicaciones de semiconductores
Los semiconductores tienen una infinidad de usos y aplicaciones, por ejemplo son
imprescindibles en la fabricación de diodos (LED), dispositivos electrónicos o
panales solares. Algunos de los semiconductores más utilizados son:
 Termistores:La conductividad depende de la temperatura.
 Transductores de presión: La aplicación de presión a este tipo de
semiconductor que el GAP de energía entre banda de conducción y Valencia se
estreche y aumente la conductividad
 Rectificadores (dispositivos de unión del tipo P y N): Se unen
semiconductores tipo N y P (unión P y N) y al hacerlo los electrones se concentran
en la unión del tipo N y los huecos en la unión P, este desequilibrio electrónico crea
un voltaje en la unión que se utiliza como rectificador.
 Transistores de unión bipolar: Estos transistores se utilizan generalmente en los
CPU (unidades de procesamiento central) de ordenadores por la eficiencia en dar
una respuesta rápida a la conmutación.
 Transistores de efecto de campo: Son utilizados frecuentemente para almacenar
información en la memoria de los ordenadores.
Conceptos semiconductores

14.  Semiconductor intrínseco: semiconductor no dopado consistente en un material semiconductor
extremadamente puro, que contiene cantidades insignificantes de átomos de impureza; un
semiconductor cuyas propiedades son inherentes al mismo.
 Dopantes:átomos de impureza específicos que se añaden a los semiconductores en dosis controladas
con la intención deliberada de incrementar las concentraciones de electrones o de huecos.
 Semiconductor extrínseco: semiconductor dopado; un semiconductor cuyas propiedades están
controladas por los átomos de impureza añadidos.
 Donador: átomo de impureza que incrementa la concentración de electrones; dopante tipo n.
 Aceptador: átomo de impureza que incrementa la concentración de huecos; dopante de tipo p.
 Material tipo n: material dopado con donadores; un semiconductorque contiene más electrones que
huecos.
 Material tipo p: material dopado con aceptadores; un semiconductorque contiene más huecos que
electrones.
 Portador mayoritario: el portadormás abundante en una muestra de semiconductor dada; electrones en
un material tipo n, huecos en un material tipo p.

15. Conclusión

16. Referencias
 http://quimica.laguia2000.com/general/principio-de-exclusion-de-pauli
 Donald R. Askeland, Ciencia e ingeniería de los materiales, Ed. Paraninfo Thompson
Learning, 2001
 WilliamFSmith,Fundamentosde la ciencia e ingeniería de materiales, 3ª Edición, Ed. Mc
Graw Hill.
 https://www.youtube.com/watch?v=hsJGw_c-Nn4 (video )