Semiconductores

Analizamos y conocemos los conceptos básicos de los semiconductores y donde se aplican estos elementos en los circuitos eléctricos.

Escrito por oscar 08 November 2020 2809 0

Electronica

Conocimiento previo

Para realizar este proyecto se requiere conocimiento previo de los siguientes temas, si aun no has trabajado con lo que se menciona en la siguiente tabla, allí están los links a los post para que puedas dar un repaso adicional o puedas recordar el conocimiento necesario para poder realizar este proyecto.

Proyecto	Descripción
Fundamentos de electricidad y magnetismo	En este artículo se expondrán los temas de fundamentos de electricidad y magnetismo, donde estudiáremos estos fenómenos físicos para poder entender cada uno de los conceptos básicos.
Átomo	Un conocimiento básico de los conceptos fundamental de la corriente y el voltaje requiere cierto grado de familiaridad con el átomo y su estructura..
Fuerza y campo eléctrico	Conocer los conocimientos base de la electricidad y electrónica nos lleva a explorar el átomo y su comportamiento y de como podemos cargar elementos positiva y negativamente.
Sistemas de unidades	En este post exponemos las unidades de medidas del sistema internacional, lo referenciamos para que conozca el estándar de medidas con que se rige la física.

Recordemos al átomo

Para poder entender los semiconductores debemos recordar el átomo y sus estructuras, en un post pasado hable sobre el átomo y sus características y dije algunas definiciones. Pero para este post vamos a hacer un pequeño repaso para tener en cuenta ciertas definiciones y poder iniciar, recordemos que la estructura atómica tenemos que nuestro átomo cuenta con protones cuya carga es positiva, neutrones cuya carga es neutra, estos dos se encuentran en el núcleo del átomo y por último tenemos los electrones cuya carga es negativa y éstos se encuentran orbitando alrededor de los electrones y los protones, observemos la siguiente imagen de referencia.

Para que exista la conductividad eléctrica Solamente necesitamos los electrones que se encuentran en su capa más externa llamada capa de valencia, esta capa es la que determina la conductividad del material, es decir los materiales conductores que se caracterizan porque en su capa de valencia suelen tener pocos electrones ya que estos suelen ser atraídos con gran facilidad por los núcleos de otros átomos, si aplicamos una fuerza externa pueden fácilmente escapar del átomo convirtiéndose en electrones libres que pueden viajar a través del material y prácticamente en la creación de la corriente eléctrica. Ahora los materiales que contienen muchos electrones en su capa de valencia son denominados aislantes ya que al haber muchos electrones en la capa de valencia estos son fuertemente atraídos por el núcleo del mismo átomo lo cual es muy difícil que éstos electrones se conviertan en electrones libres, al no permitir esta característica no se puede generar corriente eléctrica ya que no va a haber movimiento de electrones entre diferentes átomos de un material.

Tengamos en cuenta estas definiciones anteriormente habladas para lo que son los conductores y los aislantes ya que los semiconductores presentan una característica distinta a las dos definiciones mencionadas anteriormente.

Semiconductores

Recordemos que todos los materiales en la naturaleza pueden clasificarse de acuerdo a su comportamiento ante una corriente eléctrica, podemos clasificar estos elementos en tres grandes grupos: Conductores qué son aquellos elementos que permiten el paso de la corriente eléctrica con gran facilidad, los cuales impiden el paso de la corriente eléctrica y por último tenemos entre estas dos clasificaciones una tercera clasificación qué son los semiconductores, estos elementos tienen la capacidad de comportarse como aislante o como un conductor dependiendo a los estímulos externos que sean aplicados, símbolos pueden ser de tipo corriente, voltaje, calor, entre otros.[1]

Los tres semiconductores más frecuentemente utilizados en la construcción de dispositivos electrónicos son Ge, Si y GaAs.

Los semiconductores como el silicio y el germanio se caracterizan por tener cuatro electrones en su capa de valencia, estos electrones generan un enlace covalente los cuales permiten el intercambio de electrones en la capa de valencia del átomo vecino, de esta forma se equilibran completando los ocho electrones que necesitan en la capa de valencia, esto forma una red cristalina tridimensional o como mencionamos antes un patrón.

Enlace covalente

El enlace covalente es la unión química entre dos átomos donde se comparten electrones. Esto hace que los átomos se comporten como una unidad, que llamamos molécula. Los átomos interactúan entre sí a través de los electrones más externos formando enlaces.[2]

Los enlaces son las fuerzas que mantienen juntos a los átomos para formar moléculas y compuestos. A diferencia del enlace iónico en que hay transferencia de electrones entre dos átomos, en el enlace covalente los electrones son compartidos entre los átomos.

Tipos de semiconductores según su pureza

Semiconductores intrínsecos

Cuando un material es semiconductor intrínseco es capaz de transmitir electricidad en estado puro, es decir, sin impurezas ni átomos de otro tipo en su estructura.

Semiconductores extrínsecos

Se diferencia del semiconductor intrínseco porque contiene un pequeño porcentaje de impurezas (elemento trivalente o pentavalentes). A la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le puede introducir cierta alteración para que permitan el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección. El proceso de aplicación de impurezas se denomina "dopado".

Dopado

La conductividad del silicio y el germanio se incrementa drásticamente mediante la adición controlada de impurezas al material semiconductor intrínseco (puro). Este proceso, llamado dopado, incrementa el número de portadores de corriente (electrones o huecos). Los dos portadores de impurezas son el tipo n y el tipo p.

Semiconductor tipo N

Se añade material dopante para aumentar la cantidad de electrones libres, permitiendo así la conducción de la carga eléctrica. Sin embargo, el semiconductor tipo N no es tan buen conductor como un cuerpo metálico conductor.

Semiconductor tipo P

En lugar de agregarse material dopante que aumente la cantidad de electrones, se agrega al material átomos o impurezas trivalentes que, al unirse a los átomos del semiconductor, crean huecos (la falta de un electrón). Así, el material se vuelve conductor con carga positiva.

Corriente de semiconductores

Como aprendió anteriormente, los electrones de un átomo pueden existir sólo dentro de bandas de energía prescritas. Cada capa alrededor del núcleo corresponde a cierta banda de energía y está separada de bandas adyacentes por bandas prohibidas, en las cuales no pueden existir electrones.[3]

La figura anterior muestra el diagrama de bandas de energía de un átomo no excitado (sin energía externa tal como calor) en un cristal de silicio puro. Esta condición ocurre sólo a una temperatura del 0 absoluto en Kelvin.

Material tipo n

Tanto los materiales tipo n como los tipo p se forman agregando un número predeterminado de átomos de impureza a una base de silicio. Un material tipo n se crea introduciendo elementos de impureza que contienen cinco electrones de valencia (pentavelantes), como el antimonio, el arsénico y el fósforo. El efecto de tales elementos de impureza se indica en la siguiente imagen.

Material tipo p

El material tipo p se forma mediante el dopado de un cristal puro de germanio o de silicio con átomos de impureza que poseen tres electrones de valencia. Los elementos que se utilizan con mayor frecuencia para este propósito son el boro, galio e indio. El efecto de alguno de estos elementos, como el boro sobre el silicio, se indica en la siguiente figura.