Teoria De Los Semi Conduct Ores C2c3

Física III: Teoría de los Semiconductores C2 y C3  2009    FISCA III: TEORÍA DE LOS SEMICONDUCTORES  El Átomo de Silicio:  Nota  del  Profesor:  Todo  lo  que  digamos  de  aquí  en  adelante  para  el  átomo  de  silicio  (si)  aplica  igual para el átomo de Germanio (Ge). 

  Figura 1: Átomo de Silicio y su modelo simplificado  Como  se  puede  apreciar  en  la  figura  7,  los  electrones  factibles  de  ser  liberados  de  la  fuerza  de  atracción del núcleo son cuatro (en ellos nos enfocaremos en adelante).  Semiconductor Intrínseco (o Puro):  Cuando  el  silicio  se  encuentra  formado  por  átomos  del  tipo  explicado  en  el  apartado  anterior  (átomo de silicio simplificado), 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. 

  Figura 2: Red Cristalina  Prof. Jesús Barrueta   

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Física III: Teoría de los Semiconductores C2 y C3  2009    Si  en  estas  condiciones  inyectamos  energía  desde  el  exterior,  algunos  de  eso  electrones  de  las  orbitas  externas  dejaran  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 positiva menos (Ion positivo), 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,  intentara  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:  ¾ Electrones que se quedan libres y se pueden desplazar de un átomo a otro a lo largo de la  barra del material semiconductor de silicio.  ¾ Aparición y desaparición de huecos en los diversos átomos del semiconductor de silicio.  Queda  así  claro  que  el  único  movimiento  real  existente  dentro  de  un  semiconductor  es  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,  solo parece que lo hacen).  Ahora  bien,  para  facilitar  el  estudio  de  los  semiconductores  hablaremos  de  corriente  de  huecos  (carga positiva), pues nos resulta mas cómodo y los resultados obtenidos son los mismos que los  reales.  Si  aplicamos  tensión  al  cristal  de  silicio,  el  positivo  de  la  pila  intentara  traer  los  electrones  y  el  negativo los huecos, favoreciendo así  la aparición de una corriente a través del circuito. 

  Figura 3: Sentido de movimiento de electrones y huecos en el Si  Prof. Jesús Barrueta   

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Física III: Teoría de los Semiconductores C2 y C3  2009    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:  1. Aplicar un voltaje de valor superior.  2. Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exterior.  La primera solución no es factible pues, aun 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 esta 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:  ¾ Semiconductor Tipo N.  ¾ Semiconductor Tipo P.  Semiconductor Tipo N:  Si  en  una  red  cristalina  de  silicio  (átomos  de  silicio  enlazados  entre  sí),  sustituimos  uno  de  sus  átomos  (que  como  sabemos  tiene  4  electrones  en  su  capa  exterior)  por  un  átomo  de  otro  elemento que contenga 5 electrones en su capa exterior, resulta que 4 de esos electrones sirven  para enlazarse con el resto de los átomos de la red y el quinto queda libre. 

  Figura 4: Semiconductor Dopado Tipo N  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. 

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Física III: Teoría de los Semiconductores C2 y C3  2009    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),  sustituimos  uno  de  sus  átomos  (que  como  sabemos  tiene  4  electrones  en  su  capa  mas  externa)  por  uno  que  tenga  3  electrones en su capa exterior, resulta que estos tres electrones llenaran los huecos que dejaron  los  electrones  del  átomo  de  silicio  reemplazado,  pero  como  son  4  huecos,  quedara  uno  por  ocupar.  O  sea,  ahora  la  sustitución  de  un  átomo  por  otro  provoca  la  aparición  de  huecos  en  el  cristal de silicio. Por tanto los “portadores mayoritarios” ahora serán los huecos y los electrones  los “portadores minoritarios”. 

  Figura 5: Semiconductor Dopado Tipo P  El Boro es la impureza tipo P más usada para contaminar el cristal de silicio.  Generalidades de los Semiconductores:  Los semiconductores dopados se representan indicando dentro de los mismos el tipo de portador  mayoritario con el que fue dopado. 

  Figura 6: Representación del Semiconductor Tipo N 

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Física III: Teoría de los Semiconductores C2 y C3  2009   

  Figura 7: Representación del Semiconductor Tipo P  Es norma utilizar el signo (+) para indicar que un semiconductor está fuertemente dopado. 

  Figura 8: Semiconductor Tipo N Fuertemente Dopado 

  Figura 9: Semiconductor Tipo P Fuertemente Dopado  Todos  los  componentes  electrónicos  de  estado  sólido  que  se  usan  en  los  circuitos  electrónicos  (transistores, diodos, tiristores, etc.) no son ni más ni menos que un conjunto de semiconductores  de  ambos  tipos  ordenados  de  diferentes  maneras.  Nosotros  nos  enfocaremos  en  el  Diodo  Semiconductor, el cual tiene como principio de su construcción dopar la mitad del semiconductor  de silicio con impurezas tipo N y la otra mitad con impurezas tipo P.     

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