Semiconductores 40

Elaborado:
Jorge Távara Cornejo

Semiconductor
Es un elemento estequiometrico de
inconvergencia estática que se
comporta como un conductor o
como aislante dependiendo de
diversos factores
Elemento Grupos
Electrones en
la última capa
Cd 12 2 e-
Al, Ga, B, In 13 3 e-
Si, C, Ge 14 4 e-
P, As, Sb 15 5 e-
Se, Te, (S) 16 6 e-
http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

El elemento semiconductor más usado es el silicio, el
segundo el germanio, aunque idéntico
comportamiento presentan las combinaciones de
elementos de los grupos 12 y 13 con los de los grupos
14 y 15 respectivamente
(GaAs, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd).
Posteriormente se ha comenzado a emplear también
el azufre. La característica común a todos ellos es que
son tetravalentes, teniendo el silicio
una configuración electrónica s²p².
Semiconductor
http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

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
Semiconductores Intrínsecos
Tomemos como ejemplo el silicio en su
modelo bidimensional
http://fisicauva.galeon.com/aficiones1925812.html

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.

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. Se cumple que
p = n = ni --> Donde p y n son las concentraciones de huecos y electrones
respectivamente, y ni es la concentración de portadores intrínsecos.

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.
El número de átomos dopantes necesitados para crear una diferencia en las
capacidades conductoras de un semiconductor es muy pequeña. Cuando se
agregan un pequeño número de átomos dopantes (en el orden de 1 cada
100.000.000 de átomos) entonces se dice que el dopaje es bajo o ligero.
Cuando se agregan muchos más átomos (en el orden de 1 cada 10.000
átomos) entonces se dice que el dopaje es alto o pesado. Este dopaje
pesado se representa con la nomenclatura N+ para material de tipo N, o P+
para material de tipo P.
Los Semiconductores Dopados
http://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_(semiconductores)

Tipo N
Se llama material tipo N al que posee átomos de
impurezas que permiten la aparición
de electrones sin huecos asociados a los mismos.
Los átomos de este tipo se llaman donantes ya que
"donan" o entregan electrones. Suelen ser
de valencia cinco, como el Arsénico y el Fósforo. De
esta forma, no se ha desbalanceado la neutralidad
eléctrica, ya que el átomo introducido al
semiconductor es neutro, pero posee un electrón no
ligado, a diferencia de los átomos que conforman la
estructura original, por lo que la energía necesaria
para separarlo del átomo será menor que la
necesitada para romper una ligadura en el cristal
de silicio (o del semiconductor original).
Finalmente, existirán más electrones que
huecos, por lo que los primeros serán los portadores
mayoritarios y los últimos los minoritarios. La
cantidad de portadores mayoritarios será función
directa de la cantidad de átomos de impurezas
introducidos.
El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el
Fósforo (dopaje N). En el caso del Fósforo, se dona
un electrón.
Tipos de materiales dopantes

Tipo P
Se llama así al material que tiene átomos de
impurezas que permiten la formación de huecos sin
que aparezcan electrones asociados a los
mismos, como ocurre al romperse una ligadura. Los
átomos de este tipo se llaman aceptores, ya que
"aceptan" o toman un electrón. Suelen ser
de valencia tres, como el Aluminio, el Indio o
el Galio. Nuevamente, el átomo introducido es
neutro, por lo que no modificará la neutralidad
eléctrica del cristal, pero debido a que solo tiene
tres electrones en su última capa
de valencia, aparecerá una ligadura rota, que
tenderá a tomar electrones de los átomos
próximos, generando finalmente más huecos que
electrones, por lo que los primeros serán los
portadores mayoritarios y los segundos los
minoritarios. Al igual que en el material tipo N, la
cantidad de portadores mayoritarios será función
directa de la cantidad de átomos de impurezas
introducidos.
El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el
Boro (P dopaje). En el caso del boro le falta un
electrón y, por tanto, es donado un hueco de
electrón.
Tipos de materiales dopantes

Los polímeros conductores pueden ser dopados al agregar reactivos químicos
que oxiden (o algunas veces reduzcan) el sistema, para ceder electrones a las
órbitas conductoras dentro de un sistema potencialmente conductor.
Existen dos formas principales de dopar un polímero conductor, ambas mediante
un proceso de reducción-oxidación. En el primer método, dopado químico, se
expone un polímero, como la melanina (típicamente una película delgada), a un
oxidante (típicamente yodo o bromo) o a un agente reductor (típicamente se
utilizan metales alcalinos, aunque esta exposición es bastante menos común). El
segundo método es el dopaje electroquímico, en la cual un electrodo de
trabajo, revestido con un polímero, es suspendido en una solución
electrolítica, en la cual el polímero es insoluble, junto al electrodo
opuesto, separados ambos. Se crea una diferencia de potencial eléctrico entre
los electrodos, la cual hace que una carga (y su correspondiente ion del
electrolito) entren en el polímero en la forma de electrones agregados (dopaje
tipo N) o salgan del polímero (dopaje tipo P), según la polarización utilizada.
La razón por la cual el dopaje tipo N es mucho menos común es que la atmósfera
de la tierra, la cual es rica en oxígeno, crea un ambiente oxidante. Un polímero
tipo N rico en electrones reaccionaría inmediatamente con el oxígeno ambiental
y se desdoparía (o reoxidaría) nuevamente el polímero, volviendo a su estado
natural.
Dopaje en conductores orgánicos

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