Dispositivos de estado sólido

2.- Semiconductores:

Para comprender cómo funcionan los diodos, transistores y circuitos integrados es necesario estudiar los materiales semiconductores: materiales que no se comportan ni como conductores ni como aislantes. Los semiconductores poseen algunos electrones libres, pero lo que les confiere un carácter especial es la presencia de huecos.

La estructura de los semiconductores es monocristalina, igual que la de los materiales aislantes. Entre los materiales semiconductores, los más utilizados en electrónica son el silicio y el germanio. El silicio es un elemento abundante en la naturaleza, y su coste es bajo, aunque resulta encarecido por el proceso de purificación al que se debe ser sometido. Otros semiconductores son elementos compuestos, como el arseniuro de galio, el fosfuro de indio o el sulfuro de plomo.

2.1.- Conductores:

El cobre es un buen conductor. La razón es evidente si se tiene en cuenta su estructura atómica, como se ve en la figura adjunta. El núcleo o centro del átomo contiene 29 protones (cargas positivas). Cuando un átomo de cobre tiene una carga neutra, 29 electrones (cargas negativas) circulan alrededor del núcleo, como los planetas alrededor del Sol.

Semiconductores, diodos y transistores

Figura 1. Átomos de cobre

2.1.1.- Órbitas estables

El núcleo positivo en la figura 1 atrae los electrones orbitales. Éstos no caen hacia el núcleo debido a la fuerza centrífuga (hacia fuera) creada por su movimiento orbital. Cuando un electrón se halla en una órbita estable, la fuerza centrífuga equilibra exactamente la atracción eléctrica ejercida por el núcleo. La fuerza centrífuga es menor en los electrones más lentos. Los electrones de las órbitas más alejadas del centro se mueven a menor velocidad que los electrones de las órbitas más cercanas. Se necesita menos fuerza centrífuga para contrarrestar la atracción del núcleo.

2.1.2.- La parte interna del átomo y el electrón libre

Como se puede apreciar en la figura 1, el núcleo y los electrones de órbitas internas son de poco interés en el estudio de la electrónica. Nuestro interés estará puesto en la órbita exterior, también llamada órbita de valencia. Es esta órbita exterior la que determina las propiedades eléctricas del átomo. Para subrayar la importancia de la órbita exterior, se define la parte interna (core) de un átomo como el núcleo más todas las órbitas internas. Para un átomo de cobre, la parte interna es el núcleo (+29) y las tres primeras órbitas (-28).

La parte interna de un átomo de cobre tiene una carga resultante de +1, porque tiene 29 protones y 28 electrones internos. Como el electrón de valencia se encuentra en una órbita exterior alrededor de la parte interna con una carga resultante de +1, la atracción que sufre este electrón es muy pequeña. Como la atracción es tan débil, este electrón recibe el nombre de electrón libre.

2.1.3.- Idea principal

La idea más importante que debemos recordar acerca de un átomo de cobre es ésta: como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte interna, una fuerza externa puede arrancar fácilmente este electrón libre del átomo. A ello se debe que el cobre sea buen conductor. Aun la tensión más pequeña puede hacer que los electrones libres de un conductor de cobre se muevan de un átomo al siguiente. Los mejores conductores (plata, cobre y oro) tienen un único electrón de valencia.

2.2.- Aislantes eléctricos

Una vez visto los conductores repasemos los aislantes para entender la posición intermedia de los semiconductores.

El aislante perfecto para las aplicaciones eléctricas sería un material absolutamente no conductor, pero ese material no existe. Los materiales empleados como aislantes siempre conducen algo la electricidad, pero presentan una resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el cobre. Estos materiales conductores tienen un gran número de electrones que pueden transportar la corriente; los buenos aislantes apenas poseen estos electrones. Algunos materiales, como el silicio o el germanio, que tienen un número limitado de electrones libres, se comportan como materiales semiconductores, tratados en este aparyado del trabajo.

2.3.- Semiconductores: Estrucura atómica del silicio y del germanio

El átomo, como hemos visto antes, está constituido por un núcleo rodeado de electrones. El núcleo atrae a los electrones, pues tiene una carga positiva, pero, gracias a la fuerza centrífuga, el electrón se mueve en una órbita estable.

Basándonos en la teoría de Bohr y Sommerfeld sobre la estructura atómica, analizaremos la distribución de protones, electrones y neutrones en los átomos del silicio y del germanio.

2.3.1.- El germanio

El germanio es un ejemplo de semiconductor. En la figura 2 se muestra un átomo de germanio. En el centro se halla un núcleo con 32 protones. En este caso los electrones se distribuyen como sigue: 2 electrones en la primera órbita, 8 en la segunda y 18 en la tercera. Los últimos 4 electrones se localizan en la órbita exterior o de valencia.

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Figura 2. Átomo de germanio Figura 2.1. Átomo de silicio

2.3.2.- El silicio

El material semiconductor más ampliamente utilizado es el silicio. Un átomo aislado de silicio tiene 14 protones y 14 electrones. Como puede apreciarse en la figura 2.1, la primera órbita contiene 2 electrones, y la segunda contiene 8. Los 4 electrones restantes se hallan en la órbita exterior.

En la figura 2.1, el núcleo y las dos primeras órbitas constituyen la parte interna del átomo de silicio. Esta parte interna tiene una carga resultante de +4 debido a los 14 protones en el núcleo y los 10 electrones de las dos primeras órbitas. Obsérvese que hay 4 electrones en la órbita exterior o de valencia; por este motivo, el silicio es un semiconductor.

2.3.2.1.- Cristales de silicio

Cuando los átomos de silicio se combinan para formar un sólido, lo hacen formando una estructura ordenada llamada cristal. Cada átomo de silicio comparte sus electrones de valencia con los átomos de silicio vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en la órbita de valencia, como se muestra en la figura 3. Cuando un átomo posee 8 electrones en su órbita de valencia, como se aprecia aquí, se vuelve químicamente estable. Los círculos sobreados representan las partes internas del silicio. Aunque el átomo central tenía originalmente 4 elctrones en su órbita de valencia, ahora tiene 8 electrones en esa órbita.

2.3.2.2.- Enlaces covalentes

Cada átomo vecino comparte un electrón con el átomo central. De esta forma, el átomo central parece tener 4 electrones adicionales, sumando un total de 8 electrones en su órbita de valencia. En realidad, los electrones dejan de pertenecer a un sólo átomo, ya que ahora están compartidos por átomos adyacentes.

En la figura anterior, cada parte interna presenta una carga de +4. Podemos observar la parte interna central y la que está a su derecha. Estas dos partes mantienen el par de electrones entre ellas atrayéndolos con fuerzas iguales y opuestas. Este equilibrio entre las fuerzas es el que mantiene unidos a los átomos de silicio. La idea es similar a la del juego de tirar de la cuerda. Mientras los equipos tiren con fuerzas iguales y opuestas, permanecerán unidos.

Como cada uno de los electrones compartidos en la figura 3 está siendo atraído en direcciones opuestas, el electrón constituye un enlace entre las partes internas opuestas. A este tipo de enlace químico se el da el nombre de enlace covalente. En un cristal de silicio hay miles de millones de átomos de silicio, cada uno con 8 electrones de valencia. Estos electrones de valencia son los enlaces covalentes que mantienen unido el cristal, dándole solidez.

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Figura 3. Enlaces covalentes

2.4.- Las bandas de energía

Además de la ya mencionada banda de valencia, la física cuántica explica que los electrones están distribuidos en diferentes capas y subniveles alrededor del núcleo. Distinguimos:

. Banda saturada: Es la banda o nivel más próximo al núcleo. Los electrones de esta banda apenas tienen movilidad.

. Banda de valencia: Está más separada del núcleo y, en ella, los electrones son semilibres.

. Banda de conducción: Es la zona más alejada del núcleo y, en ella, los electrones tienen la suficiente energía para moverse por el cuerpo.

Estas bandas están definidas por su radio, y estan separadas por bandas prohibidas donde los electrones no pueden viajar, aunque tuviesen la energía suficiente. un material conductor tiene solapadas las bandas de valencia y de conducción y, en cambio, un material aislante tiene una gran separación entre ambas bandas. Puede deducirse que en un material semiconductor existe una separación entre ambas bandas inferior a la de un material aislante. Normalmente, la separación entre la banda de conducción y de valencia en un material semiconductor es de 1eV.

Para que los electrones realicen el salto de una capa a otra requieren de una aportación de energía, traducible a un incremento de temperatura. Los semiconductores

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