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.
Semiconductores
Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de
corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida
al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se
producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las
cargas positivas (huecos). 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. Otra característica que
los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la
de los metales y la de los aislantes.
Disposición esquemática de los átomos de un semiconductor de silicio puro, No
existen electrones ni huecos libres
La disposición esquemática de los átomos para un semiconductor de silicio
podemos observarla en la figura de arriba, Las regiones sombreadas representan
la carga positiva neta de los núcleos y los puntos negros son los electrones,
menos unidos a los mismos.
La fuerza que mantiene unidos a los átomos entre sí es el resultado del hecho de
que los electrones de conducción de cada uno de ellos, son compartidos por los
cuatro átomos vecinos.
A temperaturas bajas la estructura normal es la que se muestra en la figura de
arriba en la cual no se observa ningún electrón ni hueco libre y por tanto el
semiconductor se comporta como un aislante.
Estos cuatro electrones se encuentran formando
Niveles De Energía
Un cristal está formado por un conjunto de átomos muy próximos entre sí
dispuestos espacialmente de forma ordenada de acuerdo con un determinado patrón
geométrico. La gran proximidad entre los átomos del cristal hace que los
electrones de su última capa sufran la interacción de los átomos vecinos.
El nivel energético de cada uno de estos electrones puede estar situado en la
"banda de valencia" o en la "banda de
conducción" del cristal. Un electrón que ocupe un nivel dentro de la banda de
valencia está ligado a un átomo del cristal y no puede moverse libremente por él
mientras que si el nivel ocupado pertenece a la banda de conducción, el electrón
puede moverse libremente por todo el cristal, pudiendo
Formar parte de una corriente eléctrica.
Entre la banda de valencia y la de conducción existe una "banda prohibida",
cuyos niveles no pueden ser ocupados por ningún electrón del cristal. Según la
magnitud de esta banda, los cristales pueden clasificarse en aislantes,
conductores y semiconductores.
Aislantes.
La magnitud de la banda prohibida es muy grande ( 6 eV ), de forma que todos los
electrones del cristal se encuentran en la banda de valencia incluso a altas
temperaturas por lo que, al no existir portadores de carga libres, la
conductividad eléctrica del cristal es nula.
Un ejemplo es el diamante.
Conductores.
No existe banda prohibida, estando solapadas las bandas de valencia y
conducción. Esto hace que siempre haya electrones en la banda de conducción, por
lo que su conductividad es muy elevada. Esta conductividad disminuye lentamente
al aumentar la temperatura, por efecto de las vibraciones de los átomos de la
red cristalina.
Un ejemplo son todos los metales.
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.
Aceptadores Y Donadores
Se denomina semiconductor puro 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.
A las impurezas se las clasifica en donadoras y aceptadoras.
Si a la estructura del semiconductor de silicio se le añade alguna impureza,
como puede ser el arsénico (As), que tiene cinco electrones externos ligados al
núcleo con carga positiva +5, se obtiene la forma que se muestra en la figura.
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.
Cabe mencionar que los mencionados átomos pentavalentes se ubican en un nivel de
energía mucho más cercano a la banda de conducción que la banda de valencia,
denominado "nivel donador" este nivel se ubica a una distancia, energéticamente
hablando, de 0,05 electron-volt, mientras que la distancia entre las bandas de
un semiconductor es de 0,7 eV.
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
