2.-TIPOS DE SEMICONDUCTORES

SEMICONDUCTORES INTRINSECOS

Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente forma:

• Intrínsecos
• Extrínsecos

Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, es decir,  no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. Pero al crecer la temperatura, algún enlace covalente se puede romper y quedar un e- libre para moverse dentro de la estructura cristalina figura 2.1

Figura 2.1 Estructura Cristalina del Silicio

La estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la figura 2.2, 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.

Figura 2.2 Representación de un átomo se Silicio

También se puede observar en la figura 2.3 que para un átomo aislado de silicio los dos primero niveles (E1 y E2) se acomodan 2 y 8 electrones estos electrones están ligados al átomo y no pueden ser perturbados.

En el tercer nivel  E3 restan 4 electrones y son llamados electrones de valencia y pueden ser fácilmente liberados de sus posiciones para formar enlaces.

Figura 2.3 Átomo se Silicio número atómico 14

 

Entonces cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica. El modelo de bandas de energía para un material semiconductor intrínseco se muestra en la figura 2.4.

Figura 2.4 Modelo de Bandas Semiconductor Intrínseco

Se observa en la figura 2.5 que la concentración de electrones y huecos son iguales.

Figura 2.5 Conducción Intrínseca

Por lo que:

                                      n=p=n_i                    (Ecuación 2.1)  

Donde:

n= Número de electrones (por unidad de volumen) en la banda de conducción.

p= Número se huecos (por unidad de volumen) en la banda de valencia.

n_i= Concentración intrínseca de portadores.

La ecuación (2.1) la veremos a detalle más adelante.

 

 

SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS

Para mejorar las propiedades de los semiconductores, se les somete a un proceso de impurificación (llamado dopaje), consistente en introducir átomos de otros elementos con el fin de aumentar su conductividad. El semiconductor obtenido se denominará semiconductor extrínseco. Según la impureza (llamada dopante) distinguimos:

• Semiconductor tipo P: Se emplean elementos trivalentes (3 electrones de valencia) como el Boro (B), Indio (In) o Galio (Ga) como dopantes. Puesto que no aportan los 4 electrones necesarios para establecer los 4 enlaces covalentes, en la red cristalina éstos átomos presentarán un defecto de electrones (para formar los 4 enlaces covalentes). De esa manera se originan huecos que aceptan el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina. Así, al material tipo P también se le denomina donador de huecos (o aceptador de electrones).

Figura 2.6 Semiconductor tipo P

Se puede observar en la figura 2.6 que existe un número insuficiente de los electrones para completar los enlaces covalentes de la red recién formada. La vacante resultante se llama hueco y se representa por medio de un signo positivo o un círculo pequeño que se debe a la ausencia de una carga negativa. Dado que la vacante resultante aceptara fácilmente un electrón libre:

“Las impurezas difundidas que cuentan con tres electrones  de valencia se denominan átomos aceptores”[2].

Entonces a ese hueco se pueden mover otros electrones que dejaran a su vez otros huecos en la banda de valencia, y quedara cargado negativamente ya que p>>n.

• Semiconductor tipo N: Se emplean como impurezas elementos pentavalentes (con 5 electrones e valencia) como el Fósforo (P), el Arsénico (As) o el Antimonio (Sb). El donante aporta electrones en exceso, los cuales al no encontrarse enlazados, se moverán fácilmente por la red cristalina aumentando su conductividad. De ese modo, el material tipo N se denomina también donador de electrones.

Figura 2.7 Semiconductor tipo N

Se puede observar en la figura 2.7 que los cuatro enlaces covalentes permanecen presentes; sin embargo existe un quinto electrón libre que proviene del átomo de impureza el cual se encuentra disociado de cualquier enlace covalente en particular. Este átomo sobrante se encuentra relativamente libre para moverse dentro del material tipo N recién formado. Dado que el átomo de impurezas se insertó, cedió un electrón relativamente  “libre” a la estructura:

“Las impurezas difundidas que cuentan con cinco electrones de valencia se denominan átomos donadores ".

Entonces con muy poca energía (solo la térmica 300°k) el 5° electrón se separa del átomo y pasa a la banda de conducción  y quedara ionizada o cargada positivamente lo cual aumenta enormemente  la conductividad debida a los electrones. Y se puede decir que n>>p.

Sin embargo en la práctica nos interesa controlar la concentración de portadores en un semiconductor (n o p), ya que de este modo se pueden modificar las propiedades eléctricas como la  conductividad en el material, para ello se procede al proceso de dopado que como se había mencionado es un pequeño porcentaje de átomos que se  sustituyen por átomos de otro elemento (impurezas o dopantes).

Al introducir impurezas al cristal podemos formar enlaces y de este modo favorecer la aparición de electrones Semiconductores Tipo N donde n > p y favorecer la aparición de huecos Semiconductores Tipo P donde p>n.

 

MODELO DE BANDAS

 

Los niveles de energía de los electrones en los átomos de un cristal no coinciden con los niveles de energía de los electrones para átomos aislados. En un gas, por ejemplo, se pueden despreciar las interacciones de unos átomos con otros y los niveles de energía no se ven modificados. Sin embargo, en un cristal el campo eléctrico producido por los electrones de los átomos vecinos modifica los niveles energéticos de los electrones de los átomos de sus alrededores.

De este modo el cristal se transforma en un sistema electrónico que obedece al principio de exclusión de Pauli, que imposibilita la existencia de dos electrones en el mismo estado, transformándose los niveles discretos de energía en bandas de energía donde la separación entre niveles energéticos se hace muy pequeña. La diferencia de energía máxima y mínima es variable dependiendo de la distancia entre átomos y de su configuración electrónica [2].

Dependiendo de la distancia interatómica y del número de electrones de enlace entre otros factores, pueden formarse distintos conjuntos de bandas que pueden estar llenas, vacías o separaciones entre bandas por zonas prohibidas o bandas prohibidas, formándose así bandas de valencia, bandas de conducción y bandas prohibidas. La figura 2.8 muestra la distancia que existe entre cada banda de energía.

Figura 2.8 Modelo de Bandas de Energía

 

Así en un aislante la separación entre la banda de valencia y la banda de conducción es muy grande (» 10 eV), y esto significa que un electrón en la banda de valencia necesita mucha energía para ser liberado y convertirse en un electrón libre necesario para la conducción. En un conductor las dos bandas están solapadas, no necesitándose ninguna energía para alcanzar la conducción. En un semiconductor la banda prohibida es muy estrecha, o lo que es lo mismo, es muy fácil que un electrón sea liberado y pueda contribuir a la conducción.

 

 

BANDA DE ENERGIA EN AISLANTES

 

La mayoría de las sustancia sólidas son aislantes, y en términos de la teoría de bandas de sólidos esto implica, que hay un gran espacio prohibido entre las energías de los electrones de valencia, y la energía a la cual se pueden mover los electrones libremente por el material (la banda de conducción) [2].

El vidrio es un material aislante que puede ser transparente a la luz visible, por razones estrechamente relacionadas con su naturaleza como aislante eléctrico. Los fotones de luz visible no tienen suficiente energía cuántica para saltar la banda prohibida, y levantar los electrones hasta un nivel de energía disponible en la banda de conducción. Las propiedades de visibilidad del vidrio también pueden dar una idea de los efectos del "dopaje" en las propiedades de los sólidos. Un porcentaje muy pequeño de átomos de impurezas en el vidrio, puede darle color al proporcionarle los niveles específicos de energía disponibles, que absorben ciertos colores de la luz visible. Por ejemplo, el mineral de rubíes (corindón), es un óxido de aluminio con una pequeña cantidad (alrededor de 0,05%) de cromo, el cual le da su característico color rosado o rojo, por la absorción de la luz verde y azul.

Mientras que el dopaje de aislantes puede cambiar drásticamente sus propiedades ópticas, no es suficiente para superar la gran brecha de banda para hacerlos buenos conductores de electricidad. Sin embargo, el dopado de semiconductores tiene un efecto mucho más acentuado en su conductividad eléctrica, y es la base para la electrónica de estado sólido.

 

Se observa en la figura 2.9 que la banda de valencia está llena de electrones, que no se pueden mover por que se encuentran en posiciones de los en laces químicos. No presentan electrones desorientados que puedan conducir la corriente, la banda de conducción se encuentra muy por encima de la banda de valencia, de manera que no es térmicamente accesible y se mantiene esencialmente vacía.

 

En otras palabras el contenido calórico de una material aislante a temperatura ambiente T=300°K, no es suficiente para elevar a un número apreciable de electrones desde la banda de valencia hasta la banda conductora, por lo que la cantidad presente en la banda de conducción es despreciable.

 

Figura 2.9 Banda de Energía de un Aislante

Se observa claramente en la figura 2.9 que la banda de valencia con electrones esta separada por una region de energía prohibida Eg, (gap de energía) tan ancha que no se pueden exitar los electrones para que atraviesen esta region, de modo que es muy dificil la circulacion de corriente.

 

BANDA DE ENERGIA EN SEMICONDUCTORES

Para los semiconductores la banda de conducción sigue siendo mayor a la banda de valencia pero la distancia entre ambas es mucho más pequeña de modo que con un incremento pequeño de energía, los electrones  de valencia saltan a la banda de conducción y pueden circular en el centro de la banda [1].

 En los semiconductores intrínsecos como el silicio y el germanio, el nivel de Fermi está esencialmente a mitad de camino entre las bandas de valencia y conducción. Aunque no ocurre conducción a 0ºK, a temperaturas superiores un número finito de electrones pueden alcanzar la banda de conducción y proporcionar algo de corriente. En un semiconductor dopado, se agregan niveles de energía extras.

El aumento de la conductividad con la temperatura, se puede modelar en términos de la función Fermi, la cual, permite calcular la población de la banda de conducción.

La figura 2.10 muestra la energía prohibida que existe para los tres diferentes semiconductores más utilizados en la creación de dispositivos electrónicos.

Figura 2.10 Banda de Energía de un Semiconductor

Como se puede observar en la Figura 2.11, en el caso de los semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida es mucho más estrecho en comparación con los materiales aislantes. La energía de salto de banda (Eg) requerida por los electrones para saltar de la banda de valencia a la de conducción es de 1 eV aproximadamente. En los semiconductores de silicio (Si), la energía de salto de banda requerida por los electrones es de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.

Figura 2.11 Modelos de Bandas de un Material Semiconductor

 

BANDA DE ENERGIA EN SEMICONDUCTORES

Los metales son únicos como buenos conductores de la electricidad. Esto puede verse como el resultado de que sus electrones de valencia están esencialmente libres. En la teoría de bandas, esto se dibuja como una superposición de la banda de valencia con la banda de conducción como lo muestra la figura 2.12, para que al menos una fracción de los electrones de valencia pueda moverse a través del material.

Figura 2.12 Modelo de Banda de un Material Conductor