Links Between Elements of the Reframing

Los cuerpos semiconductores se encuentran entre los cristales moleculares, iónicos y covalentes. De éstos, los más importantes, desde el punto de vista eléctrico son los que pertenecen a la familia de los cristales covalentes.

Un semiconductor perfecto es un aislante, a la temperatura del cero absoluto. Ciertas imperfecciones, inevitables dentro de él, son las que producen los portadores de carga eléctrica que dan una cierta conductividad.

Mientras que en un material conductor, los portadores de carga eléctrica se encuentran en forma natural, dentro de un semiconductor, siempre se producen por imperfecciones de la red cristalina. Esa característica es la que origina todas las propiedades particulares de los semiconductores. Las principales causas productoras de imperfecciones son: la energía de agitación térmica, la energía electromagnética, y las impurezas químicas.

A) SEMICONDUCTORES INTRINSECOS3

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Una ilustración de los materiales intrínsecos, se pueden considerar los cristales de germanio o de silicio, que no contienen impurezas e imperfecciones, y cuyos átomos tiene cuatro electrones que se unen en forma covalente entre ellos, es decir, que cada unión de valencia se efectúa por dos electrones.

Figura 3.9.

El silicio y el germanio cristalizan en una red cúbica del tipo diamante (figura 3.9). El

primero se funde a 1420 0C.; y el segundo, a 937 0C. En los dos casos, la red tiene

ocho átomos en las aristas del cubo y seis en los centros de las caras. Cada átomo esta en el centro de un tetraedro regular. Ambos elementos están situados en la cuarta columna de la clasificación periódica de los elementos de Mendelev. En dos dimensiones, una estructura se puede representar en la forma indicada en la figura 3.10a.

La energía necesaria para separar un electrón de una unión covalente, se denomina energía de excitación y corresponde a la anchura de la banda prohibida. Esta energía es del orden de 0.75 eV para el germanio y 1.1 eV para el silicio. Aun cuando estos valores son importantes, esta energía no es muy elevada, con respecto a la

energía de agitación térmica κ , que a la temperatura ordinaria es de 0.027 eV. Por

tanto, puede decirse que a la temperatura ordinaria, algunos electrones podrán separarse de sus uniones y moverse dentro del cristal, contribuyendo, de esta manera, a la conducción eléctrica. El lugar vacío dejado por un electrón, separado de su unión, constituye un hueco, que podrá ser ocupado por otro electrón, y así sucesivamente. Cuando no existe campo eléctrico, los movimientos de los electrones y los huecos, no seguirán ninguna dirección determinada. Por el contrario, bajo la influencia de un campo eléctrico, existirá un desplazamiento de conjunto de los electrones y de los huecos.

Un callo aproximado, permite conocer el número de portadores de carga, creados a

la temperatura ordinaria. La probabilidad de romper una unión de energía , a la

temperatura , es del orden de la magnitud de -=$

₍

₎

germanio, a la temperatura ordinaria, esta exponencial es igual a −

, o sea, −

, lo que significa que únicamente un millonésimo de las uniones, se rompe a dicha temperatura. Este número es muy pequeño, comparado con el número de portadores de carga que habría a esta temperatura, en un conductor.

Los portadores de carga obtenidos por asignación térmica, se denominan de origen intrínseco. Su número, por unidad de volumen, es función de la temperatura, y se

representa por (número de electrones libres = número de huecos). Algunas

uniones pueden romperse, por la energía de una radiación de muy alta frecuencia. Si la energía de dicha radiación es superior a la anchura de la banda prohibida,

podrá transmitirse a un electrón de la banda de valencia que, de esta manera, pasará a la banda de conducción.

La creación de los portadores de carga por la luz, está basada en el fenómeno anterior (efecto fotoeléctrico). En este caso, la energía de un fotón de frecuencia

y de longitud de onda λ es igual a

& &

λ

= = …(10)

Un par electrón-hueco se forma cuando un fotón de una frecuencia determinada, cede su energía a un electrón de valencia, haciéndolo pasar a la banda de conducción. Únicamente los fotones, cuya energía es superior a la anchura de de

la banda prohibida del semiconductor, contribuyen a la formación de portadores

de carga, que pueden pasar de una banda a otra, y producir una corriente eléctrica.

B) SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS4

Introduciendo una pequeña cantidad de impurezas químicas en un cristal semiconductor, es posible tener un exceso de electrones o de huecos, de acuerdo con la naturaleza de dichas impurezas. Por ejemplo, la inserción de un átomo de antimonio, por cien millones de átomos de germanio, es suficiente para cambiar la resistividad de 47 a 0.038 -cm.

3.3.1 SEMICONDUCTORES DE TIPO N.

Cuando a un elemento de la cuarta columna de la tabla periódica (como son el Ge, Si, C, etc.), se le introduce otro de la quinta columna (Sb, As, P, etc.), los átomos de éste último tomarán el lugar de algunos átomos del primer elemento, dentro de su red cristalina. Cuatro de los cinco electrones de cada átomo del elemento de la quinta columna, formarán uniones covalentes con sus cuatro átomos vecinos del elemento de la cuarta columna. El quinto electrón de valencia, quedará débilmente

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al de un electrón libre dentro del cristal (figura 3.11).

Figura 3.11.

La impureza que puede producir un electrón, de la manera antes indicada, se

denomina impureza donadora; y el semiconductor se llama de unión tipo n, debido a

que tiene un exceso de electrones (portadores de carga negativa). En un

semiconductor tipo n, lo electrones producidos por la impurezas se denominan de

origen extrínsecos, y a la temperatura ordinaria son mucho más numerosos que los portadores de origen intrínseco producidos por la agotación térmica; pero cuando la temperatura aumenta, el número de los portadores intrínsecos también crece, y puede compararse son el número de los portadores extrínsecos. Cuando esto sucede, en un momento dado, se tendrá la misma cantidad de electrones que de

huecos, y se perderá la característica de tipo n. En el caso particular del germanio,

para que los electrones que se encuentran fuera de las uniones covalentes, entre sus átomo y los de una impureza determinada, pueden trasladarse a la banda de conducción, se requiere sólo una energía del orden de 0.01 eV, de tal manera, que aun a bajas temperaturas, estos electrones adquieren suficiente energía, para pasar a la banda de conducción. A la temperatura ordinaria, puede considerarse que todos

los átomos de la impureza tipo n, se encuentran ionizados, ya que κ ≈ eV.

Si a un elemento de la cuarta columna de la tabla periódica, se le introduce como impureza, un elemento de la tercera columna (In, B, Ga, etc.), los átomos de dicha impureza, ocuparán los lugares de algunos átomos del primer elemento (a esta impurezas se les llama aceptadoras). Puesto que cada átomo de impureza únicamente tiene tres electrones de valencia, una de las cuatro uniones de este átomo, con los átomos del elemento de la cuarta columna, quedará incompleta y podrá aceptar de otra unión, provocando, de esta manera, la generación de un hueco. Las representaciones física y de bandas de energía, para un semiconductor de esta tipo, se muestran en la figura 3.12.

A la temperatura ordinaria, todos los huecos pueden pasar a la banda de valencia. Si tienen, además, algunos electrones de dicha banda, que pueden pasar a la de conducción. Cuando la temperatura aumenta, el número de electrones que pasa ala banda de conducción, también aumenta; y cuando la temperatura es suficientemente elevada, el número de portadores de carga intrínsecos, será igual al

de portadores extrínsecos, y el semiconductor dejará de ser de tipo p, y se formará

en un semiconductor intrínseco.

Figura 3.12.