Características de los semiconductores

Un semiconductor es un elemento con propiedades eléctricas entre las de un conductor y un aislante. Son materiales que ocupan una oposición intermedia entre los aislantes y los conductores. Los primeros poseen muy pocas cargas móviles y, en consecuencia, presentan una resistencia muy alta al paso de la corriente (idealmente una resistencia infinita). La resistencia eléctrica que presentan los segundos es muy baja (idealmente cero) debido a su riqueza en dichas cargas. Los semiconductores suelen ser aislantes a cero grados Kelvin, y permiten el paso de corriente a la temperatura ambiente. Esta capacidad de conducir corriente puede ser controlada mediante la introducción en el material de átomos diferentes al del semiconductor, denominados impurezas. Cuando un semiconductor posee impurezas se dice que está dopado.

Son elementos, como el germanio y el silicio, que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medida que se eleva la temperatura o bien por la adicción de determinadas impurezas resulta posible su conducción. Su importancia en electrónica es inmensa en la fabricación de transistores, circuitos integrados, etc.

Silicio

El átomo de silicio posee catorce electrones. De éstos, los cuatro más alejados del núcleo son los electrones de valencia que participan en los enlaces con otros átomos. El silicio es, por tanto, un átomo tetravalente.

El silicio que se utiliza para fabricar dispositivos electrónicos es un mono cristal cuya estructura cristalina se denomina de diamante. Se utiliza en aleaciones, en la preparación de las silicones, en la industria de la cerámica técnica y, debido a que es un material semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como material básico para la creación de obleas o chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos. Cada átomo de silicio está unido a otros cuatro mediante enlaces covalentes. Un enlace covalente se forma entre dos átomos que comparten dos electrones. Cada uno de los electrones del enlace es aportado por un átomo diferente.

Resulta muy engorroso trabajar con la representación cristalina tridimensional. Por ello suele recurrirse a un esquema bidimensional, denominado modelo de enlaces, en el que se representa la característica esencial de la estructura cristalina: cada átomo está unido a cuatro átomos vecinos mediante enlaces covalentes. En este modelo cada átomo dedica sus cuatro electrones de valencia a constituir cuatro enlaces covalentes.

Germanio

El germanio pertenece a la misma familia química que el carbono, el silicio y el plomo; se parece a estos elementos en que todos ellos forman derivados orgánicos como el tetraetilo de germanio y el tetrafenilo de germanio.

Se encuentra en pequeñas cantidades en yacimientos de plata, cobre y cinc, así como en el mineral germanita, que contiene un 8% de germanio. El elemento y sus compuestos tienen numerosas aplicaciones. Los cristales de germanio convenientemente tratados tienen la propiedad de rectificar o permitir el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido.

Su uso es en semiconductores y transistores. En forma de monocristales para la fabricación de elementos ópticos (lentes, prismas y ventanas) para espectroscopía infrarroja: Espectroscopios, detectores de infrarrojos. El alto índice de refracción del óxido de germanio lo hace útil para la fabricación de lentes gran angular de cámaras fotográficas y objetivos de microscopio.

Materiales tipo P y N

Materiales Tipo N

Añadir al cristal pequeñas cantidades de las impurezas apropiadas, afecta de manera espectacular a la concentración relativa de huecos y electrones. Se tiene así un semiconductor extrínseco. Por ejemplo, si se añade fósforo, que tiene cinco electrones de valencia, los átomos de fósforo se posicionan en la estructura cristalina y forman enlaces covalentes con sus cuatro vecinos. El quinto electrón de valencia sólo está débilmente unido al átomo de fósforo.

A temperaturas de trabajo normales, este electrón extra rompe su enlace con el átomo de impureza, y se convierte en un electrón libre. Sin embargo, el átomo de impurezas no crea un hueco; la carga positiva que equilibra al electrón libre está bloqueada en el núcleo iónico del átomo de impureza. Así, podemos crear electrones libres añadiendo al silicio impurezas pentavalentes, llamadas donantes. Al material resultante, se le conoce como material de tipo n.

En un material de tipo n, la conducción se debe principalmente a los numerosos electrones libres. Así, a los electrones libres se les llama portadores mayoritarios, mientras que a los huecos se les llama portadores minoritarios.

A temperaturas de trabajo normales, casi todos los átomos donantes aportan su quinto electrón. Decimos entonces que los donantes se han ionizado. Cada átomo donante ionizado tiene asociada una carga positiva. Desde luego, la concentración de carga neta en el material es cero. La carga positiva de los donantes ionizados ( y huecos) se equilibra con la carga negativa de los electrones libres. Así, podemos igualar la concentración de electrones libres a la suma de las concentraciones de huecos y donantes; es decir,

Donde ND representa la concentración de átomos donantes.

Materiales Tipo P

Añadiendo al silicio puro una impureza trivalente, como el boro, se produce un material de tipo p. Cada átomo de impureza ocupa una posición en la retícula cristalina y forma enlaces covalentes con tres de sus vecinos más próximos. El átomo de impureza no tiene el cuarto electrón que se necesita para completar el enlace con su cuarto vecino.

A temperaturas de trabajo normales, un electrón de un átomo de silicio cercano se puede desplazar para llenar el cuarto enlace de cada átomo de impureza. Esto crea un hueco que se mueve libremente por el cristal. Sin embargo, el electrón se enlaza con el átomo de impureza ionizado. Así, la conducción en el material de tipo p se debe mayoritariamente a los huecos.

En un material de tipo p, los huecos se llaman portadores mayoritarios y, los electrones portadores, minoritarios. Desde luego, esta terminología es la inversa a la de los materiales de tipon.

Las impurezas de valencia tres se denominan aceptadores, porque aceptan un electrón extra. Con cada átomo aceptador ionizado, se asocia una carga negativa: hay presentes cuatro electrones enlazados, pero sólo hay la suficiente carga positiva en el núcleo iónico como para equilibrar la carga de tres electrones.