UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUPINGENIERÍA DE SISTEMAS E INFORMÁTICA

ASIGNATURA: INGENIERÍA ELECTRÓNICA

SEMICONDUCTORES INTRÍSECOS Y SEMICONDUCTORES DOPADOS

SEMICONDUCTORES

ALUMNO:GUTIERREZ TORRES, Marco Antonio

A MODO DE INTRODUCCIÓNTodos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza poseen características diferentes, agrupadas todas en la denominada “Tabla de Elementos Químicos”. Desde el punto de vista eléctrico, todos los cuerpos simples o compuestos formados por esos elementos se pueden dividir en tres amplias categorías:• Conductores: Conductores son todos aquellos materiales o elementos que

permiten que los atraviese el flujo de la corriente o de cargas eléctricas en movimiento. Los elementos conductores tienen facilidad para permitir el movimiento de cargas y sus átomos se caracterizan por tener muchos electrones libres y aceptarlos o cederlos con facilidad, por lo tanto son materiales que conducen la electricidad.

• Aislantes: Los cuerpos aislantes son aquellos que no permiten el paso e intercambio de electrones periféricos, siendo sus átomos normalmente estables, por lo tanto no dejan pasar la corriente eléctrica a través de ellos.

• Semiconductores: Los semiconductores son materiales cuya conductividad varía con la temperatura, pudiendo comportarse como conductores o como aislantes. Resulta que se desean variaciones de la conductividad no con la temperatura sino controlables eléctricamente por el hombre. En esta presentación nos ocuparemos de éstos últimos elementos.

Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra.

DEFINICIÓN: Un semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta.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 (AsGa, 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.

SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOSSe dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, ósea, 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 la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción. 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.El silicio en su modelo bidimensional, vemos como cada átomo de silicio se rodea de sus 4 vecinos próximos con lo que comparte sus electrones de valencia.

A 0°K, 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.

0 °K

300ºK

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si Si

Si

+

ElectrónHueco

En un semiconductor perfecto, las concentraciones de electrones(n) en la banda de conducción y de huecos(p) en la banda de valencia son iguales (por unidad de volumen); así como la concentración intrínseca de portadores.

MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA: CONDUCCIÓN INTRÍNSECA

FLUJO ESTABLE DE ELECTRONES LIBRES Y HUECOS DENTRO DEL SEMICONDUCTOR

Cuando los electrones libres llegan la extremo derecho del cristal, entran al conductor externo (normalmente un hilo de cobre) y circulan hacia el terminal positivo de la batería. Por otro lado, los electrones libres en el terminal negativo de la batería fluirían hacia el extremos izquierdo del cristal. Así entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo izquierdo del cristal. Se produce un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor.

SEMICONDUCTORES DOPADOSSi a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio. Hoy en día se han logrado añadir impurezas de una parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificación del material.

IMPUREZAS: Se llama así a la sustancia o conjunto de sustancias extrañas a un cuerpo o materia que están mezcladas con él y alteran, en algunos casos, alguna de sus cualidades.

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

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones). Para esto se añaden impurezas de valencia 5 (Arsénico, Antimonio, Fósforo). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 5. Los átomo de valencia 5 tienen un electrón de más, así con una temperatura no muy elevada (a temperatura ambiente por ejemplo), el 5º electrón se hace electrón libre. Esto es, como solo se pueden tener 8 electrones en la órbita de valencia, el átomo pentavalente suelta un electrón que será libre.

Semiconductor tipo N

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 propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes, como se muestra en la siguiente figura:

Semiconductor tipo PSe 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. Para esto, se añaden impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro, Galio). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 3.Los átomo de valencia 3 tienen un electrón de menos, entonces como nos falta un electrón tenemos un hueco. Esto es,  ese átomo trivalente tiene 7 electrones en la orbita de valencia. Al átomo de valencia 3 se le llama "átomo trivalente" o "Aceptor".

El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrara en condición de aceptar un electrón libre.Para los semiconductores del Grupo IV como Silicio, Germanio y Carburo de silicio, los dopantes más comunes son elementos del Grupo III o del Grupo V. Boro, Arsénico, Fósforo, y ocasionalmente Galio, son utilizados para dopar al Silicio.

El gráfico muestra 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. La cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos

A modo de conclusión: La corriente en un semiconductor es debida a dos tipos de portadores de

carga: HUECOS y ELECTRONES La temperatura afecta fuertemente a las propiedades eléctricas de los

semiconductores.

Un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra 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 la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción

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.

mayor temperatura

más portadores de carga

menor resistencia

FUENTES CONSULTADAS:http://www.etitudela.com/Electrotecnia/downloads/introduccion.pdfhttp://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductorhttp://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_1.htmhttp://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/dopado.asphttp://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina4.htmhttp://enciclopedia.us.es/index.php/Semiconductorhttp://fisicauva.galeon.com/aficiones1925812.htmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_(semiconductores)http://ecotecnologias.wordpress.com/tag/celdas-solares/