Semiconductor

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SEMICONDUCTORES
En la naturaleza existen tres tipos de materiales según sea el comportamiento frente al paso
de la corriente eléctrica y que son llamados: Conductores; Semiconductores y Aisladores.
En los conductores, hay electrones que pueden circular libremente de un punto a otro (similar
al flujo de agua por una cañería uniforme y limpia), tales como el cobre, plata, oro, etc.
En los aisladores, por el contrario, es muy difícil producir este movimiento de electrones, lo
cual requeriría un gran gasto de energía para producir tal movimiento, impidiendo con ello el
paso de la corriente. Tales como el caucho, madera, plástico, etc. (similar a tener la cañería de
agua con un tapón en un extremo).
En los semiconductores, se produce el caso intermedio, es decir, es posible producir el paso de
corriente por dicho material, pero no tan fácilmente como en caso de los conductores, puesto
que requerirá de ayuda extra (similar a la misma tubería con una rejilla que se puede abrir o
cerrar según la necesidad para permitir o no el paso del fluido).
Para entender estas diferencias entre un material y otro, deberemos adentrarnos en el mundo
microscópico de cada uno ellos.
Todo material está compuesto de partículas extremadamente pequeñas llamada Atomos. Un
átomo a su vez, está compuesto por un Núcleo (que internamente contiene protones con cargas
positivas y neutrones sin cargas) y alrededor del núcleo giran los Electrones (con carga
negativa). En cada Atomo hay tantas cargas positivas como cargas negativas. Así cada átomo
es eléctricamente neutro como se muestra en la figura 1.1
Figura #1.1: Atomo
La fuerza eléctrica entre el núcleo y el átomo está dada por la ecuación:
F  K  q1R2q 2
Donde F es la fuerza eléctrica, K es una constante, q1 es la carga del electrón y q2 es la carga
positiva que está en el núcleo propiamente tal y R es la distancia entre ambos. Como las
cargas son distintas, esta fuerza eléctrica es de atracción que ejerce el núcleo con respecto al
electrón.
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Dado que el electrón gira entorno al núcleo, se ejerce sobre este electrón una fuerza
denominada Fuerza Centrífuga (Fuga del centro), el cual tiende a alejar al electrón del centro
o núcleo. Así, en cada electrón se están ejerciendo al menos estas dos fuerzas que se
contraponen entre sí evitando con ello que el electrón pueda salir de su órbita natural.
Por ejemplo, un átomo aislado de Silicio (Si) tiene 14 protones en su núcleo y 14 electrones que
se reparten de la siguiente manera: Dos electrones se mueven en la primera órbita, ocho
electrones se mueven en la segunda órbita y cuatro electrones se mueven en la órbita exterior
llamada también órbita de valencia. Como se muestra en la figura #1.2 (en dos dimensiones).
Figura #1.2: Orbitas de un Átomo de
Silicio
Los 14 electrones orbitales neutralizan los 14 protones del núcleo, de tal forma que el átomo se
comporta eléctricamente neutro a cierta distancia.
Es importante indicar que las órbitas donde se mueven los electrones tienen radios (distancias
con respecto al núcleo) muy específicos, así por ejemplo, los electrones de la figura #2, pueden
viajar en las órbitas 1, 2 o 3; sin embargo, no pueden viajar en órbitas con radios intermedios.
NIVELES DE ENERGIA
Para mover un electrón desde una órbita inferior a una
órbita superior, es necesario bombardear al átomo con
alguna forma de energía, ya sea calor, luz o de otro tipo,
pues se debe efectuar un trabajo para contrarrestar la
acción de atracción que ofrece el Núcleo.
Por tanto, cuando más grande o alejada del núcleo sea la
órbita del electrón, mayor será la energía potencial que el
electrón deberá tener.
La figura #1.3 muestra las órbitas del electrón y sus
respectivos niveles de energía asociada para cada órbita,
en ella se puede observar que a mayor órbita, mayor es el
nivel de energía potencial que tiene el electrón.
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Figura #1.3: Niveles de energía asociada a las órbitas de un átomo.
Cristales
Un átomo de Silicio tiene 4 electrones en su órbita de valencia. Para que sea estable
químicamente, un átomo de Silicio necesita ocho electrones en dicha órbita. Por esta razón,
cada átomo se Silicio “pide compartir un electrón” con otros cuatro átomos de Silicio formando
un esquema similar al que se muestra en la figura #1.4
Cuando los átomos de Silicio se combinan para formar un sólido, se acomodan siguiendo una
configuración ordenada llamada cristal. Las fuerzas que mantienen a los átomos unidos entre
sí se denominan enlaces covalentes como se muestra en la figura #1.4 el átomo de Silicio
central hace un total de 8 electrones en su banda de Valencia.
Figura #1.4: Enlaces covalentes de un cristal de Silicio
Como se puede observar, los ocho electrones no pertenecen exclusivamente al átomo central,
sino que son compartidos con los otros 4 átomos. Así cada núcleo atraerá no solamente al
electrón de su átomo, sino que también atraerá a un electrón del átomo vecino, creando
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fuerzas y iguales y opuestas por cada átomo a un electrón en particular. Estas fuerzas son
las que mantienen unido a los átomos para formar el cristal y a este proceso de mantener
unidos los átomos en la órbita de valencia se denomina enlace covalente. La situación es
análoga a jalar una cuerda por los extremos con fuerzas iguales y opuestas, la cual mantendrá
inmóvil la cuerda.
Todo ello indica que en un cristal, las fuerzas que se ejercen sobre cada electrón, están
influenciadas por las cargas de muchos átomos circundantes. Por esta razón, las órbitas de
cada electrón son diferentes a las órbitas del mismo electrón aislado. La figura 1.5 muestra
una formación tridimencional de un cristal.
Figura #1.5: Estructura cristalina tetragonal del Silicio y Germanio.
(Nota: La separación entre átomos es de 5,43 y 5,46 Amstrong y se encuentran fijos en la
estructura. Las líneas que unen los átomos representan los enlaces covalentes)
La figura 1.5 indica que las órbitas o niveles de energía entre un átomo y otro son levemente
diferentes formando con ello Bandas de Energías, así, por cada órbita de un átomo se
transforma en banda de energía para un cristal. La figura #1.6 muestra las bandas de energía
típica para un cristal de Silicio a –273ºC.
Figura #1.6: Bandas de energía en
un cristal de silicio.
Huecos
Cuando una energía externa levanta un electrón desde la banda de Valencia a un nivel de órbita
mayor, deja una vacante en su órbita. Esta vacante es lo que se llama Hueco y es una de las
razones por las que trabajan los diodos y transistores. A este proceso de que un electrón
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salga de la banda de valencia (esto es, rompe su enlace covalente) y pasa a una banda superior
se denomina “Generación de par Hueco – electrón”, ya que genera un hueco en la banda de
valencia y se genera un electrón en la banda superior llamada Banda de Conducción. La figura
#1.7, muestra la equivalencia de un par Hueco electrón en un semiconductor producido por el
rompimiento de un enlace covalente.
Atomo Ionizado
Enlace Cov alente Roto
Energía
4
4
4
Electrón Libre
4
4
4
Banda de Conducción
Energía de Ionización
Hueco
4
4
Banda de Valencia
4
# de Electrones BC = # de Huecos BV
n = p = ni
Enlace Cov alente
Representación bidimensional de la estructura cristalina
de un Semiconducto Intrinseco
Estructura de Bandas de Energía
Figura #1.7: Par hueco electrón producido por el rompimiento de un enlace covalente
Conducción en cristales
Cada átomo de cobre tiene un electrón libre, el cual viaja en una órbita extremadamente
grande (nivel de energía alto), por lo tanto, el electrón siente una débil atracción por el núcleo.
En un alambre de cobre, los electrones libres están en una banda de energía llamada Banda de
Conducción y son estos electrones los que permiten producir corrientes elevadas si se conecta
una diferencia de potencial o Batería entre sus terminales.
Si consideramos el caso del Silicio, podemos decir que al cero absoluto, no hay electrones
libres circulando en la banda de conducción, pues no hay energía extra que permita romper un
enlace covalente, por tanto no se tendría circulación de corriente por este cristal, sin embargo,
por sobre el cero absoluto, la energía calórica inyectada a los electrones producirá el
rompimiento de algunos enlaces covalentes, generando con ello un electrón libre en la Banda de
Conducción y un Hueco en la Banda de Valencia por cada enlace covalente roto (a esta
situación se denomina generación de un par Hueco - Electrón). Cuanto mayor es la
temperatura, mayor será los electrones de valencia que pasarán a la banda de conducción y
mayor será la corriente que se puede producir en dicho cristal cuando se es sometido a una
diferencia de potencial.
A temperatura ambiente 25ºC, la corriente es demasiado pequeña
para ser útil, por esta razón a este material se denomina Semiconductor, pues no es ni buen
conductor ni buen aislador.
A la zona comprendida entre la banda de valencia y banda de conducción, se denomina zona
prohibida y su longitud varia entre los diferentes materiales, en efecto, para los materiales
conductores la zona prohibida tienen una menor longitud que para los materiales
semiconductores y mucha menor longitud que para los materiales aisladores.
Otro elemento tetravalente es el Germanio (Ge), el cual fue utilizado ampliamente en los
inicios; actualmente es raro que se utilice puesto que la temperatura afecta más al Germanio
que al Silicio con respecto a la generación de electrones libres. Esta razón obligó a los
fabricantes a utilizar el Silicio para la confección de Diodos y/o Transistores
A diferencia de los conductores, la corriente que se produce en los semiconductores no son
exclusivamente producida por los electrones en le Banda de conducción, sino que también se
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produce por el movimiento de los huecos, esto es, los semiconductores ofrecen dos caminos
para la corriente: Uno a través de la banda de conducción (órbitas grandes) y otro a través de
la banda de Valencia. (Órbitas pequeñas) que obedece al hecho que un hueco creado en la banda
de valencia será prontamente ocupado por un electrón vecino generando con ello un nuevo
hueco, el cual será también prontamente ocupado y así sucesivamente. La figura #1.8 ilustra
este hecho.
Figura #1.8: Corriente por huecos.
Como se puede observar en la figura #1.8, el hecho que el electrón de valencia se haya
desplazado a la derecha dejando un hueco en su lugar, entrega la misma impresión que si el
hueco se haya desplazado a la izquierda. La figura #1.9, muestra la misma idea en términos de
bandas de energía.
Figura #1.9: Corriente por huecos.
En resumen podemos decir que producto del rompimiento de los Enlaces Covalentes, se generan
Electrones en la banda de conducción y huecos en la banda de valencia. Si en tal situación se
coloca al cristal ante una diferencia de potencial, los electrones libres en la banda de
conducción se desplazarán en un sentido, por ejemplo a la derecha y los huecos en la banda de
Valencia se desplazarán en sentido opuesto, para el ejemplo sería a la izquierda puesto que los
electrones de Valencia se desplazarán también a la derecha. La figura #1.10 ilustra este
efecto.
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Figura #1.10: Trayectorias de la corriente por el
movimiento de huecos y electrones
Recombinación
Como se mencionó anteriormente y se muestra en al figura #1.7, cuando un electrón de
valencia rompe su enlace covalente para ir a la banda de conducción, genera en la banda de
valencia un hueco y por supuesto en la banda de conducción genera un electrón, por tal motivo
se dice que se generó un par hueco – electrón. Sin embargo, en muchas ocasiones sucede que
un electrón libre de la órbita de conducción de un átomo intercepta la órbita de huecos de otro
átomo de un mismo cristal, produciéndose con ello una fusión. A este proceso de fusión se
conoce con el nombre de Recombinación en la cual desaparece el electrón libre de la banda de
conducción y el hueco de la banda de valencia, al tiempo que media entre el rompimiento de un
enlace covalente y la fusión del electrón en un nuevo enlace covalente se denomina tiempo de
vida del electrón libre.
Impurificación o Dopaje en los semiconductores
Un cristal de Silicio puro es aquel en que todos los átomos del cristal son de Silicio, llamado
también semiconductor Intrínseco. La Impurificación consiste en agregar átomos de otro
material al cristal, se dice entonces que el material es Extrínseco o material Dopado.
Semiconductor tipo N
Con el objeto de obtener una mayor cantidad de electrones libres en la banda de conducción,
se Dopa al Silicio con impurezas o átomos pentavalentes, es decir, que tienen cinco electrones
en su banda de valencia; tales como el Arsénico, Antimonio y Fósforo. Cada uno de estos
átomos formará enlaces covalentes con otros cuatro átomos de Silicio, sin embargo, el quinto
electrón de su Banda de valencia no podrá formar enlace covalente y por tanto no ejercerán
fuerzas del cristal hacia dicho electrón, con la excepción de la débil fuerza eléctrica que
ejerce el núcleo de su propio átomo. Por esta razón, la sola energía calórica o una pequeña
energía eléctrica es suficiente para desplazar este electrón a su banda de conducción y luego
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bastará una pequeña diferencia de potencial para desplazar estos electrones libres y producir
corriente.
La figura #1.11 muestra este hecho. Es importante también destacar que el cristal sigue
siendo eléctricamente neutro, es decir, hay tantos protones o cargas eléctricas positivas en
los núcleos como electrones en la totalidad de sus órbitas.
Figura #1.11: Dopaje tipo N
La figura #1.12 muestra este mismo hecho en forma bidimencional
Atomo Ionizado
Enlace Cov alente no Cubierto
Energía
4
4
4
Electrón Libre
4
5
4
Banda de Conducción
# e =Nd
Energía de Ionización
Hueco
4
4
4
Banda de Valencia
# de Electrones BC >> # de Huecos BV
n >> p
Enlace Cov alente
Representación bidimensional de la estructura cristalina
Estructura de Bandas de Energía
de un Semiconducto Extrinseco, Nd Atomos de Valencia 5
( Antimonio Arsénico, Fósf oro )
Figura # 1.12: Dopaje tipo N
El resultado de todo ello, es que se obtiene un cristal con exceso de electrones en la banda de
conducción. Como los electrones tienen carga eléctrica negativa, se dice que el semiconductor
es de material tipo N (de Negativo) y se representa como se muestra en la figura #1.13
Figura # 1.13: Material tipo N
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El signo negativo en la parte superior revela el exceso de electrones en la Banda de conducción
producido fundamentalmente por el dopaje con átomos pentavalente. El signo positivo revela
los huecos en la banda de valencia producidos por el rompimiento de enlaces covalentes que
dejan pares hueco-electrón. Como se puede observar, en un material tipo N los portadores
mayoritarios serán los electrones en la banda de conducción y los portadores minoritarios
serán los huecos en la banda de valencia. Los átomos pentavalentes también son conocidos
como átomos dadores por que donan electrones a la banda de conducción.
Semiconductor tipo P
Con el objeto de obtener una mayor cantidad de Huecos en la banda de valencia, se Dopa al
Silicio con impurezas o átomos trivalentes, es decir, que tienen tres electrones en su banda de
valencia; tales como Aluminio, Boro y Galio. Como estos átomos tienen solamente tres
electrones en su banda de valencia, al hacer enlace covalente con los átomos de Silicio, se
producirá que a un átomo del cristal le faltará un electrón, esto es, habrá un hueco en la banda
de valencia. Se dice entonces, que los portadores mayoritarios en un semiconductor tipo P son
los huecos en su banda de valencia. La figura #1.14 representa la estructura básica de un
dopaje con material trivalente o denominado también como material aceptor
Atomo Ionizado
Enlace Cov alente Roto
4
4
Electrón
4
Energía
Banda de Conducción
Hueco
4
3
4
4
4
Energía de Ionización
# p = Na
4
Banda de Valencia
# de Electrones BC >> # de Huecos BV
n << p
Enlace Cov alente
Representación bidimensional de la estructura cristalina
Estructura de Bandas de Energía
de un Semiconducto Extrinseco, Na Atomos de Valencia 3
( Boro, Galio, Indio )
Figura #1.14: Dopaje tipo P
Este fenómeno produce un desequilibrio en la cantidad de portadores de carga, habiendo más
huecos en la banda de valencia que electrones en la banda de conducción, p>n. El material se
conoce como tipo P porque la cantidad de portadores de carga positiva (p) es mayor que la
cantidad de portadores de carga negativa (n). Los huecos reciben el nombre de portadores
mayoritarios y los electrones de portadores minoritarios.
Recordando el efecto de un campo eléctrico externo, la corriente resultante se deberá el
movimiento de los portadores mayoritarios por la banda de valencia y a la de electrones por la
banda de conducción. Estas dos corrientes serán distintas tanto por la diferencia en el número
de portadores como de velocidad de movimiento.
La figura #1.15 representa a un semiconductor tipo P.
Figura #1.15: Semiconductor tipo P
El signo negativo en la parte superior revela los portadores minoritarios producidos por el
rompimiento de enlaces covalentes que dejan pares hueco-electrón. El signo positivo revela
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los huecos en la banda de valencia producido fundamentalmente por el dopaje con átomos
trivalente.
Como se puede observar, en un material tipo P los portadores mayoritarios serán
los huecos en la banda de valencia y los portadores minoritarios serán los electrones en la
banda de conducción.
Como es de suponer, mientras más dopado esté un semiconductor, mayor será la conducción de
corriente por dicho material, en otras palabras, su resistencia macroscópica será menor.
Postulados Básicos de equilibrio eléctrico
A continuación se plantearán los postulados básicos que permiten comprender el
funcionamiento de los materiales semiconductores y de los dispositivos electrónicos
construidos con ellos. Estos postulados se consideran ciertos bajo las siguientes restricciones:
a) tener un material puro "Intrínseco", sin impurezas, o un material "Extrínseco" dopado con
un número de impurezas muy inferior a la densidad atómica, y
b) operar temperaturas cercanas a la temperatura ambiente, temperaturas entre -20°C y
150°C típicamente.
1.- Ley de Acción de Masas: El producto de las concentraciones de electrones en la banda
de conducción (n) y de huecos en la banda de valencia (p) es constante y depende
solamente de la temperatura esto es: n * p = C(T), tanto para el material intrínseco
como extrínseco, siendo independiente de la concentración de impurezas. La aplicación
de este postulado al material intrínseco origina un número conocido como concentración
intrínseca de portadores.
2.- Ley de neutralidad de Carga: El material aislado, como un todo, es eléctricamente
neutro, es decir la suma de la cantidad de protones de los núcleos es idéntica a la suma
de los electrones dentro del material, considerando electrones internos de los átomos, y
electrones de las bandas de valencia y de conducción.; esto quiere decir que la
concentración de cargas positivas es igual a la concentración de cargas negativas. Es
decir el # de electrones = # de protones ( por unidad de volumen )
3.- Postulado de Ionización de Impurezas: A temperatura cercana al ambiente todos los
átomos de impurezas se encuentran ionizados, es decir los átomos de valencia tres han
capturado a un electrón en su enlace covalente y los átomos de valencia cinco han
entregado el electrón a la banda de conducción.
Estos postulados dan origen a la ecuación de equilibrio de neutralidad eléctrica.
Nd + p = Na+ n
Nd = Concentración de átomos Donadores, (Valencia 5)
Na = Concentración de átomos Aceptadores, (Valencia 3)
p = Concentración de huecos en la banda de valencia.
n = Concentración de electrones en la banda de conducción, (libres)
Barra homogénea de semiconductor dentro de un campo eléctrico externo.
En una barra semiconductora aislada en el espacio, el movimiento de electrones en la banda de
conducción y de huecos en la banda de valencia es al azar, por lo tanto, en cualquier sección de
la barra se produce corriente promedio cero si es que no hay energía externa aplicada.
Cuando se aplica un potencial eléctrico entre los extremos de la barra homogénea se genera a
lo largo de la barra un campo eléctrico, que ejerce una fuerza sobre los portadores de carga
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tendiendo a producir un movimiento de ellos a través de la barra. Si los portadores pueden
moverse se produce un flujo de cargas neto distinto de cero atravesando una sección; es decir
se produce una corriente eléctrica. Las cargas tienden a moverse a una velocidad que es
proporcional al gradiente del potencial eléctrico, es decir proporcional al campo eléctrico.
Esta constante de proporcionalidad depende del material. Se entiende por homogénea una
barra de sección y niveles de concentración de impurezas constante.
La magnitud de la densidad corriente producida (intensidad de corriente por unidad de área)
queda determinada por tres factores, que son:
a) La velocidad de los portadores de carga
b) La cantidad de portadores que se mueven
c) La carga eléctrica transportada por cada portador.
En la figura #1.16 se aprecia como se mueven las cargas.
Figura #1.16: Barra semiconductora sometida a un campo eléctrico
Corrientes de difusión de portadores
Si se inyecta una cantidad de portadores en un cristal, cualquiera que sea el procedimiento, los
portadores incluso en ausencia de campo eléctrico se mueven desde las zonas de mayor a las de
menor concentración tendiendo a restablecer las condiciones de equilibrio. Este movimiento de
conoce como Difusión. Por este fenómeno cuando los portadores no están uniforme distribuidos
se establece una corriente eléctrica ya que se mueven partículas que transportan carga
eléctrica.