Como sabemos existen materiales capaces de conducir la corriente eléctrica mejor que otros. Generalizando, se dice que los materiales que presentan poca resistencia al paso de la corriente eléctrica son conductores. Analógicamente, los que ofrecen mucha resistencia al paso de esta, son llamados aislantes. No existe el aislante perfecto y prácticamente tampoco el conductor perfecto.

Existe un tercer grupo de materiales denominados semiconductores que, como su nombre lo indica, conducen la corriente bajo ciertas condiciones.

Lo que diferencia a cada grupo es su estructura atómica. Los conductores son, generalmente, metales esto se debe a que dichos poseen pocos átomos en sus últimas órbitas y, por lo tanto, tienen tendencia a perderlos con facilidad. De esta forma, cuando varios átomos de un metal, se acercan los electrones de su última órbita se desprenden y circulan desordenadamente entre una verdadera red de átomos. Este hecho (libertad de los electrones) favorece en gran medida el paso de la corriente eléctrica.

Los aislantes, en cambio, están formados por átomos con muchos electrones en sus últimas órbitas (cinco a ocho), por lo que, no tienen tendencia a perderlos fácilmente y a no establecer una corriente de electrones. De ahí su alta resistencia.

También existe otro tercer tipo de materiales, que cambia en mayor o menor medida la característica de los anteriores, los semiconductores. Su característica principal es la de conducir la corriente sólo bajo determinadas circunstancias, y evitar el paso de ella en otras.

Es, precisamente, en este tipo de materiales en los que la electrónica de estado sólida está basada. La estructura atómica de dichos materiales presenta una característica común: está formada por átomos tetravalentes (es decir, con cuatro electrones en su última órbita), por lo que les es fácil ganar cuatro o perder cuatro.

Los semiconductores son aquellos elementos perteneciente al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc. Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida.

La capa más externa con electrones es la capa de valencia y es determinante para las propiedades eléctricas y químicas de los elementos.

Un electrón en la capa de valencia tiene una energía de la banda de valencia (Ev)

Para que el electrón escape de la atracción del núcleo, es necesario que adquiera una energía mínima (Eg) para situarse en la banda de conducción (Ec).

En un buen aislante, las bandas de valencia y de conducción están muy separadas. Por tanto, para liberar pocos electrones que contribuyan a la conducción se necesita gran cantidad de energía. Por ejemplo, el diamante con Eg ≈ 6 eV.

En un buen conductor, a la temperatura ambiente, las bandas de valencia y de conducción se solapan. Por tanto, se necesita muy poca energía para mantener corrientes eléctricas bastante intensas.

Los semiconductores se caracterizan por tener una Eg ≈ 1 eV. Siendo, 1 eV = qV = (1.602x10-19 C). (1 V.) = 1.602x10-19 J.

Silicio: Eg = 1.21 eV Germanio: Eg = 0’785 eV Silicio: (14 electrones) 1s2 2s2p6 3s2p2 La capa de valencia en los materiales

semiconductores están incompletas, deben de ganar o perder 4 electrones.

Cuando dos átomos de silicio están próximos, la fuerza de enlace entre átomos vecinos hace que cada electrón de valencia sea compatible por uno de sus cuatro vecinos más próximos. ENLACE COVALENTE.

Estos cuatro electrones se encuentran formando uniones covalentes con otros átomos vecinos para así formal un cristal, que es la forma que se los encuentra en la naturaleza.

A temperatura ambiente, algunos enlaces covalentes se rompen debido al suministro de energía térmica al cristal, y es posible la conducción.

Cada enlace covalente roto crea un par electrón-hueco, el electrón con carga negativa y el hueco con carga positiva (portadores)

Cuando aparece un hueco, el electrón de valencia del átomo vecino deja su enlace covalente y llena el hueco, esto produce un nuevo hueco. Así, el hueco se mueve efectivamente en dirección contraria al electrón. (campo eléctrico)

En un semiconductor puro (intrínseco), el número de huecos (p) es igual al número de electrones libres (n) (n=p=ni=pi)

ni, pi son las concentraciones intrínsecas de portadores

Semiconductores. La magnitud de la banda prohibida es pequeña

( 1 eV ), de forma que a bajas temperaturas son aislantes, pero conforme aumenta la temperatura algunos electrones van alcanzando niveles de energía dentro de la banda de conducción, aumentando la conductividad. Otra forma de aumentar la conductividad es añadiendo impurezas que habiliten niveles de energía dentro de la banda prohibida.

El germanio y el silicio son semiconductores.

Se denomina semiconductor puro o intrínseco aquél en que los átomos que lo constituyen son todos del mismo tipo (por ejemplo de germanio), es decir no tiene ninguna clase de impureza.

Si a un semiconductor puro como el silicio o el germanio, se le añade una pequeña cantidad de átomos distintos (por ejemplo arsénico, fósforo, etc). Se transforma en un semiconductor impuro o extrínseco.

A las impurezas se las clasifica en donadoras y aceptadoras.

Material Intrinseco

Materiales extrinsecos

TIPO n TIPO p

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si 5 Si

Si Si Si

Si Si Si

Si 4 Si

Si Si SiAntimonioArsénicoFósoforo

BoroGalioIndio

Las impurezas difundidas que cuentan con cinco electrones de valencia se denominan átomos donadores (material tipo n).

Las impurezas difundidas que cuentan con tres electrones de valencia se denominan átomos aceptadores (material tipo p).

Impureza de Boro en un material tipo p.

Impureza de Antimonio en un material tipo n.

Ahora, bien para aumentar la conducción de cualquier semiconductor se recurre a un proceso denominado "dopado" o "envenenamiento". El objeto del mencionado proceso es el del aumentar la cantidad de portadores libres en el cristal provocando un aumento en la conductividad del mismo (recordar que la corriente es el flujo de portadores)

El dopado del cristal es realizado con átomos trivalentes (con tres electrones en su última órbita) o pentavalentes (con cinco). Esta elección no es resultado de un proceso azaroso sino que uno u otro tipo de átomo aumentará a su vez la presencia de uno u otro tipo de portador. ¿Cómo es esto?: el silicio, como ya se ha dicho, tiene cuatro electrones en su última órbita que se combinan a su vez con otros átomos para formar un cristal. Al introducir un átomo penta o trivalente en dicho cristal, se provocará un aumento o un defecto de electrones que hará aumentar la cantidad portadores.

Si se introduce un átomo pentavalente (P, Sb, As) en un cristal puro, cuatro de sus electrones se unirán a cuatro electrones de los átomos de silicio vecinos, pero el quinto queda libre, sin formar parte de ninguna unión, por lo que está débilmente ligado al átomo: Este electrón libre, requerirá muy poca energía para "saltar" a la banda de conducción. La energía térmica del ambiente basta para provocar este salto. De esta forma al agregar átomos pentavalentes agregamos electrones en la banda de conducción, es decir, agregamos portadores.

De la misma forma, podemos dopar al cristal con átomos trivalentes (como el boro, el Alumnio, el Galio, etc), esto provocará un exceso de electrones en el cristal, ya tres de los cuatro electrones de la última órbita del Silicio se combinan con los tres electrones del anterior átomo. Esto trae como consecuencia la generación de un espacio sin electrones, que tendrá carga positiva, es decir, esto generará un hueco.

De esta forma podemos controlar de manera casi definida, a través del dopado, la cantidad de electrones o huecos que existen en un cristal. A este tipo de cristal se le denomina extrínseco, ya que fue modificado por elementos exteriores

Cuatro de los cinco electrones del átomo de arsénico se unirán a los correspondientes electrones de los cuatro átomos de silicio vecinos, y el quinto quedará inicialmente libre, sin una posible unión, y por tanto se convertirá en un portador de corriente. A este tipo de impurezas que entregan electrones portadores (negativos) se los denomina donadores o del tipo «n».

En un semiconductor con impurezas del tipo n, no sólo aumenta el número de electrones sino que también la cantidad de huecos disminuye por debajo del que tenía el semiconductor puro.

La causa de esta disminución se debe a que una parte de los electrones libres llena algunos de los huecos existentes.

Si al semiconductor puro de silicio se le añade algún tipo de impureza que tenga tres electrones externos, solo podrá formar tres uniones completas con los átomos de silicio, y la unión incompleta dará lugar a un hueco.

Este tipo de impurezas proporcionan entonces portadores positivos, ya que crean huecos que pueden aceptar electrones; por consiguiente son conocidos con el nombre de aceptores, o impurezas del tipo «p». Al contrario de lo que sucedía antes en el tipo n en un semiconductor con impurezas de tipo p los portadores que disminuyen son los electrones en comparación, con los que tenía el semiconductor puro.

A los semiconductores que contengan ya sea impurezas donadoras o aceptad se les llama respectivamente de tipo n o p. En un semiconductor del tipo n, los electrones se denominan portadores mayoritarios y los huecos portadores minoritarios.

En un material de tipo p, los huecos son portadores mayoritarios, y los electrones portadores minoritarios.

Veamos ahora, qué ocurre si a un cristal extrínseco le conectamos una fuente externa de tensión. Al existir mayor cantidad de portadores (no importa de qué tipo), circulará por el cristal una corriente mucho mayor que en el no dopado. El valor de esta corriente dependerá de que tan contaminado esté el material.

El efecto del hueco sobre la conductividad se muestra en la siguiente figura. Si un electrón de valencia adquiere suficiente energía para romper su enlace covalente y llena el vacio creado por un hueco, entonces, una vacante o hueco se creara en el enlace covalente que libero al electrón. Por lo tanto existirá una transferencia de huecos hacia la izquierda y de electrones hacia la derecha. La dirección que se utilizará es la del flujo convencional, la cual se indica por la dirección del flujo de huecos.

Flujo de electrones versus flujo de huecos.

En el estado intrínseco, el numero de electrones libres en el Ge o en el Si se debe únicamente a los pocos electrones en la banda de valencia que adquirieron energía de fuentes térmicas o luminosas suficiente para romper el enlace covalente, o a las escasas impurezas que no se pudieron eliminar.

En un material tipo n, el electrón se denomina portador mayoritario y el hueco portador minoritario.

Para un material tipo p, el numero de huecos sobrepasa por mucho al numero de electrones por lo tanto en un material tipo p el hueco es el portador mayoritario y el electrón es el portador minoritario.

Los materiales tipo p y tipo n representan los componentes básicos de construcción para los dispositivos semiconductores.

Dada la especial estructura de los semiconductores, en su interior pueden darse dos tipos de corrientes:

◦ 1. Corrientes por arrastre de campo ◦ 2. Corrientes por difusión

Supongamos que disponemos de un semiconductor con un cierto número de electrones y de huecos, y que aplicamos en su interior un campo eléctrico. Veamos que sucede con los portadores de carga:

Electrones libres: Obviamente, la fuerza que el campo eléctrico ejerce sobre los electrones provocará el movimiento de estos, en sentido opuesto al del campo eléctrico. De este modo se originará una corriente eléctrica.

La densidad de la corriente eléctrica (número de cargas que atraviesan la unidad de superficie en la unidad de tiempo) dependerá de la fuerza que actúa (qE), del número de portadores existentes y de la "facilidad" con que estos se mueven por la red, es decir: Je = en(qE)

en donde:•Je = Densidad de corriente de electrones

•e = Movilidad de los electrones en el material •n = Concentración de electrones •q = Carga eléctrica •E = Campo eléctrico aplicado

La movilidad e es característica del material, y está relacionada con la capacidad de movimiento del electrón a través de la red cristalina.

Huecos: El campo eléctrico aplicado ejerce también una fuerza sobre los electrones asociados a los enlaces covalentes. Esa fuerza puede provocar que un electrón perteneciente a un enlace cercano a la posición del hueco salte a ese espacio. Así, el hueco se desplaza una posición en el sentido del campo eléctrico. Si este fenómeno se repite, el hueco continuará desplazándose. Aunque este movimiento se produce por los saltos de electrones, podemos suponer que es el hueco el que se está moviendo por los enlaces. Se puede apreciar en la siguiente figura:

La carga neta del hueco vacante es positiva y por lo tanto, se puede pensar en el hueco como una carga positiva moviéndose en la dirección del campo eléctrico. Obsérvese que los electrones individuales de enlace que se involucran en el llenado de los espacios vacantes por la propagación del hueco, no muestran movimiento continuo a gran escala. Cada uno de estos electrones se mueve únicamente una vez durante el proceso migratorio. En contraste, un electrón libre se mueve de forma continua en la dirección opuesta al campo eléctrico.

Análogamente al caso de los electrones libres, la densidad de corriente de huecos viene dada por:

Jh = hp(qE)

en donde:•Jh = Densidad de corriente de huecos

•h = Movilidad de los huecos en el material •p = Concentración de huecos •q = Carga eléctrica del hueco: igual y de signo opuesto a la del electrón •E = Campo eléctrico aplicado

La movilidad h es característica del material, y está relacionada con la capacidad de movimiento del hueco a través de los enlaces de la red cristalina. La "facilidad" de desplazamiento de los huecos es inferior a la de los electrones.

Consideremos ahora el caso de un semiconductor que disponga de huecos y electrones, al que sometemos a la acción de un campo eléctrico. Hemos visto cómo los electrones se moverán en el sentido opuesta a la del campo eléctrico, mientras que los huecos lo harán en según el campo.

El resultado es un flujo neto de cargas positivas en el sentido indicado por el campo, o bien un flujo neto de cargas negativas en sentido contrario. En definitiva, la densidad de corriente global es la suma de las densidades de corriente de electrones y de huecos:

J = Jh + Je = hp(qE) + en(qE)

El fenómeno de conducción por difusión se puede explicar con el siguiente ejemplo: si tenemos una caja con dos compartimentos separados por una pared común. En un compartimento introducimos un gas A, y en el otro un gas B.

Figura : Difusión de dos gases a través de una membrana porosa

Si en un momento determinado se abre una comunicación entre las dos estancias parte del gas A atravesará la pared para ocupar el espacio contiguo, al igual que el B. El resultado final es que en ambas estancias tendremos la misma mezcla de gases A+B. La difusión de partículas es un mecanismo de transporte puramente estadístico, que lleva partículas "de donde hay más, a donde hay menos", siempre que no haya ninguna fuerza externa que sea capaz de frenar dicho proceso.

Se han desarrollado muchos dispositivos electrónicos utilizando las propiedades de transporte de los semiconductores; el uso de semiconductores en la industria electrónica ha aumentado de forma importante. Así, veremos algunas de las más importantes:◦ Termistores: se basan en la propiedad de que la

conductividad depende de la temperatura para medir dicha temperatura. También se usan en otros dispositivos, como en alarmas contra incendio.

◦ Transductores de presión: al aplicar presión a un semiconductor, los átomos son forzados a acercarse, el gap de energía se estrecha y la conductividad aumenta. Midiendo la conductividad, se puede conocer la presión que actúa sobre ese material.

◦ Rectificadores (dispositivos de unión tipo p-n): se producen uniendo un semiconductor tipo n con otro tipo p, formando una unión tipo p-n. Los electrones se concentran en la unión tipo n y los huecos en la unión p. El desequilibrio electrónico resultante crea un voltaje a través de la unión.

◦ Transistores de unión bipolar: un transistor se puede usar como interruptor o como amplificador. El transistor de unión bipolar (BJT), se suele utilizar en unidades de procesamiento central de computadoras por su rápida respuesta a la conmutación.

◦ Transistores de efecto de campo: utilizado frecuentemente para almacenar información en la memoria de los ordenadores. El transistor de efecto de campo (FET), se comporta de forma algo distinta a los de unión bipolar.