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SEMICONDUCTORESsemiconductores

By Amanda Ramos,2014-12-28 11:10
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SEMICONDUCTORESsemiconductores

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    SEMICONDUCTORES

    Intruducción

    Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor, considerados en orden creciente

    Los semiconductores más conocidos son el silicio (Si) y el germanio (Ge). Debido a que, como veremos más adelante, el comportamiento del silicio es más estable que el germanio frente a todas las perturbaciones exteriores que pueden variar su respuesta normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más utilizado en la fabricación de los componentes electrónicos de estado sólido. A él nos referiremos normalmente, teniendo en cuenta que el proceso del germanio es absolutamente similar.

    Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo, como electrones en las órbitas que le rodean. (En el caso del silicio este número es de 14). El interés del semiconductor se centra en su capacidad de dar lugar a la aparición de una corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. Un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos. Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas exteriores. Estos electrones pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres al inyectarles una pequeña energía. En estos recaerá nuestra atención y es así que en vez de utilizar el modelo completo del átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación simplificada (figura 2) donde se resalta la zona de nuestro interés.

La zona sombreada de la figura 2 representa de una

    manera simplificada a la zona sombreada de la figura 1

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    Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser liberados de la fuerza de atracción del núcleo son cuatro.

    Semiconductor Intrínseco

    Cuando el silicio se encuentra formado por átomos del tipo explicado en el apartado anterior, se dice que se encuentra en estado puro o más usualmente que es un semiconductor intrínseco.

    Una barra de silicio puro está formada por un conjunto de átomos enlazados unos con otros según una determinada estructura geométrica que se conoce como red cristalina. Si en estas condiciones inyectamos energía desde el exterior, algunos de esos electrones de las órbitas externas dejarán de estar enlazados y podrán moverse. Lógicamente si un electrón se desprende del átomo, este ya no está completo, decimos que está cargado positivamente, pues tiene una carga negativa menos, o que ha aparecido un hueco. Asociamos entonces el hueco a una carga positiva o al sitio que ocupaba el electrón. El átomo siempre tendrá la tendencia a estar en su estado normal, con todas sus cargas, por lo tanto en nuestro caso, intentará atraer un electrón de otro átomo para rellenar el hueco que tiene.

    Toda inyección de energía exterior produce pues un proceso continuo que podemos concretar en dos puntos:

    ; Electrones que se quedan libres y se desplazan de un átomo a otro a lo largo de la

    barra del material semiconductor de silicio.

    ; Aparición y desaparición de huecos en los diversos átomos del semiconductor. Queda así claro que el único movimiento real existente dentro de un semiconductor es el de electrones. Lo que sucede es que al aparecer y desaparecer huecos, "cargas positivas", en puntos diferentes del semiconductor, parece que estos se mueven dando lugar a una corriente de cargas positivas. Este hecho, movimiento de huecos, es absolutamente falso,. Los huecos no se mueven, sólo parece que lo hacen.

    Ahora bien, para facilitar el estudio de los semiconductores hablaremos de corriente de huecos (cargas positivas), pues nos resulta más cómodo y los resultados obtenidos son los mismos que los reales.

    Semiconductor Dopado

    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

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

    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

    Semiconductor Tipo N

    Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí) …

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Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese que cada átomo

    comparte cada uno de sus electrones con otros cuatro átomos

    .... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones en su capa exterior) por un átomo de otro elemento que contenga cinco electrones en su capa exterior, resulta que cuatro de esos electrones sirven para enlazarse con el resto de los átomos de la red y el quinto queda libre.

Semiconductor dopado tipo N

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    A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le denomina "Silicio tipo N" En esta situación hay mayor número de electrones que de huecos. Por ello a estos últimos se les denomina "portadores minoritarios" y "portadores mayoritarios" a los electrones Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso de dopado son el arsénico, el antimonio y el fósforo

    Está claro que si a un semiconductor dopado se le aplica tensión en sus bornes, las posibilidades de que aparezca una corriente en el circuito son mayores a las del caso de la aplicación de la misma tensión sobre un semiconductor intrínseco o puro.

SEMICONDUCTOR TIPO P

    Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí) ....

Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese que cada átomo comparte

    cada uno de sus electrones con otros cuatro átomos

    .... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones en su capa exterior) por un átomo de otro elemento que contenga tres electrones en su capa exterior, resulta que

    estos tres electrones llenarán los huecos que dejaron los electrones del átomo de silicio, pero como son cuatro, quedará un hueco por ocupar. O sea que ahora la sustitución de un átomo por otros provoca la aparición de huecos en el cristal de silicio. Por tanto ahora los "portadores mayoritarios" serán los huecos y los electrones los portadores minoritarios. A esta red de silicio dopada con esta clase de impurezas se le denomina "silicio tipo P"

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Semiconductor dopado tipo P

    Los semiconductores dopados se representan indicando dentro de los mismos el tipo de portadores mayoritarios.

    Semiconductor tipo N Semiconductor tipo P

    No siempre el índice de dopado de un semiconductor es el mismo, puede ser que este "poco dospado", "muy dopado", etc.

    Es norma utilizar el signo (+) para indicar que un semiconductor está fuertemente dopado.

    Semiconductor tipo N Semiconductor tipo P

    fuertemente dopado fuertemente dopado

    Todos los componentes electrónicos en estado sólido que veremos en adelante (transistores, diodos, tiristores) no son ni más y menos que un conjunto de semiconductores de ambos tipos ordenados de diferentes maneras

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