UNIDAD 5MATERIALES SEMICONDUCTORESUn semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como aislantedependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo elctrico o magntico, la presin, la radiacin que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre..El elemento semiconductor ms usado es el silicio, el segundo el germanio Posteriormente se ha comenzado a emplear tambin el azufre. a caracter!stica com"n atodos ellos es que son tetravalentes, os primeros semiconductores utilizados para fines tcnicos fueron peque#os detectores diodosempleados a principios del siglo $% en los primitivos radiorreceptores, que se conoc!an como &de galena'. Ese nombre lo tom el radiorreceptor de la peque#a piedra de galena o sulfuro de plomo (Pb)* que hac!a la funcin de diodo + que ten!an instalado para sintonizar las emisoras de radio. a sintonizacin se obten!a moviendo una aguja que ten!a dispuesta sobre la superficie de la piedra. ,unque con la galena era posible seleccionar + escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conoc!a que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas.En -./% 0ussell 1hl, investigador de los aboratorios 2ell, descubri que si a ciertos cristales se le a#ad!a una peque#a cantidad de impurezas su conductividad elctrica variaba cuando el material se e3pon!a a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoelctricas o solares. Posteriormente, en -./4 5illiam )hoc6le+, investigador tambin de los aboratorios 2ell, 5alter 2rattain + 7ohn 2arden, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (8e*, al que denominaron &transistor' + que se convertir!a en la base del desarrollo de la electrnica moderna.os 9semiconductores9 como el silicio ()i*, el germanio (8e* + el selenio ()e*, por ejemplo, constitu+en elementos que poseen caracter!sticas intermedias entre los cuerpos conductores + los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. )in embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulacin de la corriente elctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar se#ales de radio, amplificar se#ales de corriente elctrica, funcionar -como interruptores o compuertas utilizadas en electrnica digital, etc.os tomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco electrones en su "ltima rbita, de acuerdo con el elemento espec!fico al que pertenecen. :o obstante, los elementos ms utilizados por la industria electrnica, como el silicio ()i* + el germanio (8e*, poseen solamente cuatro electrones en su "ltima rbita. En este caso, el equilibrio elctrico que proporciona la estructura molecular cristalina caracter!stica de esos tomos en estado puro no les permite ceder, ni captar electrones. :ormalmente los tomos de los elementos semiconductores se unen formando enlaces covalentes + no permiten que la corriente elctrica flu+a a travs de sus cuerpos cuando se les aplica una diferencia de potencialo corriente elctrica. En esas condiciones, al no presentar conductividad elctrica alguna, se comportan de forma similar a un material aislante Incremento de la conductividad en un elemento semiconductora ma+or o menor conductividad elctrica que pueden presentar los materiales semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente tambin aumenta, disminu+endo la conductividad. ;odo lo contrario ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad tambin aumenta. En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los siguientes mtodos< Elevacin de su temperatura Introduccin de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina Incrementando la iluminacin. =on relacin a este "ltimo punto, algunos tipos de semiconductores, como las resistencias dependientes de la luz (>0 ? Light-dependant resistors*, var!an su conductividad de acuerdo con la cantidad de luz que reciben.En dependencia de cmo var!en los factores de los puntos ms arriba e3puestos, los materiales semiconductores se comportarn como conductores o como aislantes.Tipos de semiconductoresSemiconductores intrnsecos$Es un cristal de silicio o 8ermanio que forma una estructura tetradrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus tomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. =uando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energ!a necesaria para saltar a la banda de conduccin dejando el correspondiente ueco en la banda de valencia (-*. as energ!as requeridas, atemperatura ambiente, son de %,4 e@ + %,A e@ para el silicio + el germanio respectivamente.1bviamente el proceso inverso tambin se produce, de modo que los electrones pueden caer, desde el estado energtico correspondiente a la banda de conduccin, a un hueco en la banda de valencia liberando energ!a. , este fenmeno se le denomina recombinacin. os electrones + los huecos reciben el nombre de portadores. En los semiconductores, ambos tipos de portadores contribu+en al paso de la corriente elctrica. )i se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes elctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conduccin, + por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tendern a saltar a los huecos pr3imos ($*, originando una corriente de uecos con / capas ideales + en la direccin contraria al campo elctrico cu+a velocidad + magnitud es mu+inferior a la de la banda de conduccin. Semiconductores e!trnsecos)i a un semiconductor intr!nseco, como el anterior, se le a#ade un peque#o porcentaje de impure"as, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina e3tr!nseco, + se dice que est dopado. Evidentemente, las impurezas debern formar parte de la estructura cristalina sustitu+endo al correspondiente tomo de silicio. Bo+ en d!a se han logrado a#adir impurezas de una parte por cada -% millones, lograndocon ello una modificacin del material.Semiconductor tipo NUn Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado a#adiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para poder aumentar el n"mero de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones*.A=uando se a#ade el material dopante aporta sus electrones ms dbilmente vinculados a los tomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es tambin conocido como material donante +a que da algunos de sus electrones.El propsito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para a+udar a entender cmo se produce el dopaje tipo n considrese el casodel silicio ()i*. os tomos del silicio tienen una valencia atmica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los tomos de silicio ad+acentes. )i un tomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo -C de la tabla peridica (ej. fsforo (P*, arsnico (,s* o antimonio ()b**, se incorpora a la red cristalina en el lugar de un tomo de silicio, entonces ese tomo tendr cuatro enlaces covalentes + un electrn no enlazado. Este electrn e3tra da como resultado la formacin de 9electrones libres9, el n"mero de electrones en el material supera ampliamente el n"mero de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios + los huecos son los portadores minoritarios. , causa de que los tomos con cinco electrones de valencia tienen un electrn e3tra que 9dar9, son llamados tomos donadores. :tese que cada electrn libre en el semiconductor nunca est lejos de un ion dopante positivo inmvil, + el material dopado tipo : generalmente tiene una carga elctrica neta final de cero.Semiconductor tipo #Un Semiconductor tipo # se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, a#adiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para poder aumentar el n"mero de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos*.=uando se a#ade el material dopante libera los electrones ms dbilmente vinculados delos tomos del semiconductor. Este agente dopante es tambin conocido como material aceptor + los tomos del semiconductor que han perdido un electrn son conocidos como uecos.El propsito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio,un tomo tetravalente (t!picamente del grupo -/ de la tabla peridica* se le une un tomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo -A de la tabla peridica (ej. ,l, 8a, 2, Dn*, + se incorpora a la red cristalina en el lugar de un tomo de silicio, /entonces ese tomo tendr tres enlaces covalentes + un hueco producido que se encontrara en condicin de aceptar un electrn libre.,s! los dopantes crean los 9huecos9. :o obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protn del tomo situado en la posicin del hueco se ve 9e3puesto9 + en breve se ve equilibrado como una cierta carga positiva. =uando un n"mero suficiente deaceptores son a#adidos, los huecos superan ampliamente la e3citacin trmica de los electrones. ,s!, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. os diamantes azules (tipo DDb*,que contienen impurezas de boro (2*, son un ejemplo de un semiconductor tipo P que seproduce de manera natural. MECANISMO DE CONDUCCI$N DE UN SEMICONDUCTOR=uando a un elemento semiconductor le aplicamos una diferencia de potencial o corriente elctrica, se producen dos flujos contrapuestos< uno producido por el movimiento de electroneslibres que saltan a la &banda de conduccin' + otro por el movimiento de los huecos que quedan en la &banda de valencia' cuando los electrones saltan a la banda de conduccin.Cuando aplicamos una diferencia de potencial a un. elemento semiconductor, se establece una. corriente de electrones en un sentido y otra. corriente de huecos en sentido opuesto. C)i analizamos el movimiento que se produce dentro de la estructura cristalina del elemento semiconductor, notaremos que mientras los electrones se mueven en una direccin, los huecos o agujeros se mueven en sentido inverso. Por tanto, el mecanismo de conduccin de un elemento semiconductor consiste en mover cargas negativas (electrones* en un sentido + cargaspositivas (huecos o agujeros* en sentido opuesto.Ese mecanismo de movimiento se denomina 9conduccin propia del semiconductor9, que para las cargas negativas (o de electrones* ser 9conduccin :9, mientras que para las cargas positivas (de huecos o agujeros*, ser 9conduccin P9.=UE);D1:,0D1 E,;E0D,E) )EED=1:>U=;10E)-F GHu es un material semiconductorI$F G=ules son los elementos ms comunes como semiconductorIAF G=ules son las caracter!sticas de estos materialesI/F G=ules son sus usos ms frecuentesICF G=untos tomos poseen en la "ltima rbita los semiconductores + cuantos el )i + El 8eIJF GHu tipo de enlace presentan los semiconductoresI4F G=mo se puede variar la conductividad en un semiconductorIKF GPara que e3ista conduccin que debe pasar en el tomoI.F GHu tipo de semiconductores e3istenI-%F GE3plique cada uno =omo se produce el mecanismo de conduccinI .J

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