Date post: | 21-Jul-2015 |
Category: |
Education |
Upload: | katherine-gutierrez-de-henderson |
View: | 155 times |
Download: | 1 times |
Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción.
Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.
Como se puede observar en la ilustración,
en el caso de los semiconductores el
espacio correspondiente a la banda
prohibida es mucho más estrecho en
comparación con los materiales aislantes.
La energía de salto de banda (Eg)
requerida por los electrones para saltar de
la banda de valencia a la de conducción es
de 1 eV aproximadamente. En los
semiconductores de silicio (Si), la energía
de salto de banda requerida por los
electrones es de 1,21 eV, mientras que en
los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.
Estructura cristalina de un
semiconductor intrínseco,
compuesta solamente por átomos
de silicio (Si) que forman una
celosía. Como se puede observar
en la ilustración, los átomos de
silicio (que sólo poseen cuatro
electrones en la última órbita o
banda de valencia), se unen
formando enlaces covalente para
completar ocho electrones y crear
así un cuerpo sólido
semiconductor. En esas
condiciones el cristal de silicio se
comportará igual que si fuera un
cuerpo aislante.
Es un cristal de silicio o germanio que
forma una estructura tetraédrica
similar a la del carbono mediante
enlaces covalentes entre sus átomos,
en la figura representados en el plano
por simplicidad. Cuando el cristal se
encuentra a temperatura ambiente
algunos electrones pueden absorber
la energía necesaria para saltar a la
banda de conducción dejando el
correspondiente hueco en la banda
de valencia (1). Las energías
requeridas, a temperatura ambiente,
son de 1,12 eV y 0,67 eV para el
silicio y el germanio respectivamente.
Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer, desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece constante. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:
ni = n = p
siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del tipo de elemento.
Ejemplos de valores de ni a temperatura ambiente (27 ºC):
ni(Si) = 1.5 1010cm-3
ni(Ge) = 1.73 1013cm-3
Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En los semiconductores, ambos tipos de portadores contribuyen al paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.
En la producción de
semiconductores, se denomina
dopaje al proceso intencional de
agregar impurezas en un
semiconductor extremadamente
puro (también referido como
intrínseco) con el fin de cambiar sus
propiedades eléctricas. Las
impurezas utilizadas dependen del
tipo de semiconductores a dopar. A
los semiconductores con dopajes
ligeros y moderados se los conoce
como extrínsecos. Un
semiconductor altamente dopado,
que actúa más como un conductor
que como un semiconductor, es
llamado degenerado.
Tipo NSe llama material tipo N al que posee átomos de impurezas que permiten la aparición de electrones sin huecos asociados a los mismos. Los átomos de este tipo se llaman donantes ya que "donan" o entregan electrones. Suelen ser de valencia cinco, como el Arsénico y el Fósforo. De esta forma, no se ha desbalanceado la neutralidad eléctrica, ya que el átomo introducido al semiconductor es neutro, pero posee un electrón no ligado, a diferencia de los átomos que conforman la estructura original, por lo que la energía necesaria para separarlo del átomo será menor que la necesitada para romper una ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor original). Finalmente, existirán más electrones que huecos, por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los últimos los minoritarios. La cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.
Tipo PSe llama así al material que tiene átomos de impurezas que permiten la formación de huecos sin que aparezcan electrones asociados a los mismos, como ocurre al romperse una ligadura. Los átomos de este tipo se llaman aceptores, ya que "aceptan" o toman un electrón. Suelen ser de valencia tres, como el Aluminio, el Indio o el Galio. Nuevamente, el átomo introducido es neutro, por lo que no modificará la neutralidad eléctrica del cristal, pero debido a que solo tiene tres electrones en su última capa de valencia, aparecerá una ligadura rota, que tenderá a tomar electrones de los átomos próximos, generando finalmente más huecos que electrones, por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los segundos los minoritarios. Al igual que en el material tipo N, la cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.
Dopaje en conductores orgánicos
Los polímeros conductores pueden ser dopados al agregar
reactivos químicos que oxiden (o algunas veces reduzcan)
el sistema, para ceder electrones a las órbitas conductoras
dentro de un sistema potencialmente conductor.
Existen dos formas principales de dopar un polímero
conductor, ambas mediante un proceso de reducción-
oxidación. En el primer método, dopado químico, se
expone un polímero, como la melanina (típicamente una
película delgada), a un oxidante (típicamente yodo o
bromo) o a un agente reductor (típicamente se utilizan
metales alcalinos, aunque esta exposición es bastante
menos común). El segundo método es el dopaje
electroquímico, en la cual un electrodo de trabajo,
revestido con un polímero, es suspendido en una solución
electrolítica, en la cual el polímero es insoluble, junto al
electrodo opuesto, separados ambos. Se crea una
diferencia de potencial eléctrico entre los electrodos, la
cual hace que una carga (y su correspondiente ion del
electrolito) entren en el polímero en la forma de electrones
agregados (dopaje tipo N) o salgan del polímero (dopaje
tipo P), según la polarización utilizada.
La razón por la cual el dopaje tipo N es mucho menos
común es que la atmósfera de la tierra, la cual es rica en
oxígeno, crea un ambiente oxidante. Un polímero tipo N
rico en electrones reaccionaría inmediatamente con el
oxígeno ambiental y se desdoparía (o reoxidaría)
nuevamente el polímero, volviendo a su estado natural.
HistoriaEl dopaje fue desarrollado originalmente
por John Robert Woodland mientras
trabajaba para la Sperry Gyroscope
Company durante la Segunda Guerra
Mundial.1 La demanda de su trabajo
sobre el radar durante la guerra no le
permitió desarrollar más profundamente
la investigación sobre el dopaje, pero
durante la posguerra se generó una gran
demanda iniciada por la compañía Sperry
Rand, al conocerse su importante
aplicación en la fabricación de
transistores.2
El Dopado de Semiconductores
La adición de un pequeño porcentaje de átomos extraños en la red cristalina regular de silicio o germanio, produce unos cambios espectaculares en sus propiedades eléctricas, dando lugar a los semiconductores de tipo n y tipo p.
Impurezas pentavalentes
Los átomos de impurezas con 5 electrones de valencia, producen semiconductores de tipo n, por la contribución de electrones extras.
Impurezas trivalentes
Los átomos de impurezas con 3 electrones de valencia, producen semiconductores de tipo p, por la producción de un "hueco" o deficiencia de electrón.
Bandas en Semiconductores
Dopados
La aplicación de la teoría de bandas a los
semiconductores de tipo n y tipo p
muestra que los niveles adicionales se
han añadido por las impurezas. En el
material de tipo n hay electrones con
niveles de energía cerca de la parte
superior de la banda prohibida, de modo
que pueden ser fácilmente excitados
hacia la banda de conducción. En el
material de tipo p, los huecos adicionales
en la banda prohibida, permiten la
excitación de los electrones de la banda
de valencia, dejando huecos móviles en
la banda de valencia.
Bibliografía:Wikipedia
http://hyperphysics.phy-
astr.gsu.edu/hbasees/solids/dope.html
http://www.monografias.com/trabajos11/moti/moti.shtml
http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_se
miconductor_4.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_(semiconductores)
google imágenes