SEMICONDUCTOR INTRINSECO

SEMICONDUCTOR INTRINSECO
Se denomina semiconductor intrínseco a la estructura cristalina que contiene exclusivamente un tipo de átomos.
Hablaremos en adelante del silicio por ser el material más empleado. El átomo de este elemento, situado en el
grupo 4 del sistema periódico, posee un núcleo formado por catorce partículas positivas (protones) y está rodeado
por catorce electrones, de los cuales cuatro se encuentran en la última capa. La valencia del silicio es, por tanto,
cuatro. El átomo es eléctricamente neutro, pero si se libera un electrón se transforma en un ión positivo.
El silicio, y el germanio, cristalizan en el sistema tetraédrico, y su estructura cristalina puede
representarse simplemente en un plano, tal como se muestra en la Fig.. Sólo representamos
los cuatro electrones de valencia, el resto y el núcleo es el círculo central.
La conexión de unos átomos con otros se realiza mediante enlaces covalentes, esto es, cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con otros tantos átomos vecinos, de
manera que cada uno de ellos completa su última capa, consiguiendo hasta un total de
ocho. Esta configuración mantiene a los electrones fuertemente ligados al núcleo, dando
origen a una estructura muy estable, con muy pocos electrones libres a temperatura ambiente. En el cero absoluto (- 273°C) el silicio se comporta como un aislante perfecto.
A temperatura normal algunos electrones adquieren la energía necesaria para liberarse de la influencia del núcleo,
originándose una pequeña conducción dentro del material.
Este fenómeno se produce de la siguiente manera:
a) Cuando un electrón alcanza la energía suficiente, se libera, quedando en estado libre. Estos electrones, de la
misma manera que en un conductor, se mueven desordenadamente. Sin embargo, cuando se aplica una d.d.p.
entre los extremos de un semiconductor, los electrones se mueven en sentido contrario al campo eléctrico aplicado, esto es, del polo negativo al polo positivo del generador.
b) El vacío que deja un electrón que escapa de un enlace se denomina hueco. El átomo que pierde un electrón
queda inestable, de forma que puede atraer a otro electrón de un átomo vecino, tal como se muestra en la Figura.
Si así ocurre, el primer hueco queda relleno, pero aparece uno nuevo en el átomo vecino.
El movimiento de los huecos es contrario al de los electrones, de manera que
al aplicar una d.d.p. al semiconductor aquéllos se moverán del polo positivo al
polo negativo.
Un cristal intrínseco tiene siempre el mismo número de huecos que de electrones libres. Las cargas móviles se denominan pares electrón-hueco.
SEMICONDUCTOR EXTRINSECO
Si se introducen pequeñas cantidades de impurezas en un semiconductor intrínseco, el número de huecos o de
electrones libres aumenta considerablemente y, por tanto, su resistividad disminuye. Un cristal que ha sido contaminado se transforma en un semiconductor extrínseco.
Para obtener una sustancia de estas características es necesario añadir una partícula de impureza por cada 108
de silicio. Los materiales que se emplean para construir semiconductores extrínsecos son elementos del grupo 3 y
del grupo 5 del Sistema Periódico, dando lugar a dos tipos diferentes de cristales: cristal tipo n y cristal tipo p.
Cristal tipo n
Cuando al silicio puro se le añaden algunos átomos de elementos del
grupo 5, como por ejemplo arsénico, se convierte en un semiconductor
extrínseco de tipo n.
El átomo de impureza comparte cuatro de sus electrones de la última
capa con los cuatro átomos de silicio vecinos, pero el quinto electrón,
tal como aparece en la Figura, no puede ser compartido, quedando
menos fuertemente ligado a la estructura que los otros cuatro
De esta manera es mucho menor la energía necesaria para que este electrón pase al estado de conducción
Cuando el quinto electrón se libera (Fig.), se transforma en una carga móvil negativa, que se representa con el
signo (-). El átomo de arsénico que pierde el electrón se convierte en un ión positivo, que se representa con el
signo  . El arsénico es un elemento donador porque cede electrones. El cristal resultante de la mezcla, tal como
ya hemos dicho, es del tipo n. Las cargas móviles, que en este caso son electrones, se denominan portadores
mayoritarios y su número es igual al de átomos de arsénico que quedan ionizados. Los huecos de los pares electrón-hueco debidos al semiconductor intrínseco son los portadores minoritarios.
Cristal tipo p
Si el elemento que se emplea para do par el silicio es del grupo 3 (indio o galio), cada átomo de impureza solamente podrá compartir sus tres electrones de la última capa con los átomos vecinos de silicio. Se producirá, pues,
un exceso de huecos, tal como se muestra en la Figura. Los átomos de impureza (indio) se aprovecharán de la
agitación electrónica para apropiarse de un electrón de los átomos vecinos de silicio.
En este caso las cargas móviles son los huecos (+) y los átomos de indio que adquieren un electrón se convierten
en iones negativos (-) (Fig.).
El indio es un elemento aceptador porque recibe electrones. La estructura así obtenida recibe el nombre de cristal tipo p. Los huecos, en
este caso, son los portadores mayoritarios. Los electrones de los pares electrón-huecos son, en este caso, los portadores minoritarios.
UNION p-n
La unión p-n consiste en unir (consiguiendo contacto eléctrico) un
cristal del tipo p y otro del tipo n; este conjunto se comporta de manera distinta a como lo hacen por separado. Tanto una estructura tipo p como tipo n conducen en ambos sentidos al
aplicarles una d.d.p. entre sus extremos; por el contrario, una unión p-n conduce en un solo sentido.
Analicemos qué fenómenos se originan cuando se efectúa la unión de los dos cristales.
El cristal p tiene el mismo número de huecos libres que de iones negativos. Por otra parte, el cristal n tiene electrones libres y el mismo número de iones positivos.
En la zona próxima a la unión, los átomos de arsénico ceden el quinto electrón a
los átomos cercanos de indio, originándose un proceso de recombinación. En
esta zona denominada de difusión desaparecen las cargas móviles o portadores
de carga de ambos signos, tal como se muestra en la Figura.
Cabría pensar que la zona de difusión se extendiese a toda la estructura; sin embargo esto no es así, ya que según van desapareciendo las cargas móviles en la
zona próxima a la unión, se va acumulando una carga negativa en el cristal p y
una carga positiva en el cristal n.
Cuando esta carga alcanza un determinado valor, se frena el proceso de recombinación en la zona de difusión, ya
que la carga negativa repele los huecos o cargas móviles del cristal p y la carga positiva repele los electrones del
cristal n.
La zona de recombinación crea una barrera interna de potencial de aproximadamente un voltio que impide que las cargas libres pasen de un cristal a
otro.
Cuando se aplica a la unión una d.d.p. en sentido directo, conectando el polo
positivo de la pila al cristal p y el polo negativo al cristal n, tal como se muestra en la Figura, la tensión de la pila contrarresta la barrera interna de potencial y los portadores mayoritarios de ambos cristales adquieren la energía
suficiente como para pasar de un cristal a otro atravesando la unión, produciéndose una corriente de electrones que va del polo negativo al positivo.
Los huecos se moverán en sentido contrario. Para no destruir el cristal, si la
d.d.p. aplicada es superior a 1 V (barrera interna de potencial), la corriente
debe limitarse conectando una resistencia entre la pila y la unión p-n. .
Cuando la unión se polariza inversamente, la recombinación se extiende, aumentando la zona despoblada de carga, tal como se muestra en la Figura. En
efecto, el polo positivo atraerá a los electrones o portadores mayoritarios del
cristal n, y el polo negativo a los huecos o portadores mayoritarios del cristal
p. Las únicas cargas que atravesarán la unión son los portadores minoritarios
del semiconductor intrínseco, dando lugar a una pequeña intensidad inversa
denominada corriente de fugas. Cuando la tensión inversa aplicada es muy
elevada, los pares electrón-huecos adquieren una gran energía, y en su desplazamiento a través del cristal destruyen la estructura, quedando el semiconductor inutilizado.
ESTRUCTURAS p-n-p Y n-p-n
Los transistores bipolares están constituidos por la unión de tres cristales ordenados, tal como se muestra en la
Figura, dando origen a los transistores p-n-p o n-p-n, respectivamente. Para que los transistores funcionen correctamente es necesario que las baterías estén conectadas como se señala en dicha figura.
Para analizar el funcionamiento interno fijémonos, por ejemplo, en la estructura n-p-n. Supongamos, en primer lugar, que el interruptor S está abierto. La unión p-n de la otra malla está polarizada inversamente, de manera que la
única corriente que circula es la debida a los portadores minoritarios. Si cerramos el interruptor, la unión n-p de la primera malla queda polarizada en sentido directo. Las cargas
móviles del cristal n adquieren una gran energía y atraviesan
la unión. Como el cristal p es de poco espesor, gran parte de
los electrones son atraídos directamente por el polo positivo
de la pila Ec estableciéndose una fuerte corriente que atraviesa la estructura, pasando del primer cristal n al segundo.
La relación entre la corriente principal y la que se deriva por
el cristal p es: lc≈:50 lb