Semiconductores

Física de los semiconductores. –

Si bien los materiales en electricidad se clasifican en conductores y en aislantes

según la cantidad de electrones libres que posean, existe una categoría de elementos que

no se comportan ni de una forma ni de otra y reciben el nombre de semiconductores. Se

trata de elementos que tienen la particularidad de que en su órbita exterior poseen cuatro

electrones. De estos elementos que están ubicados en la cuarta columna de la tabla

periódica interesan particularmente el germanio y el silicio . En la figura 1 se muestra

la imagen de un átomo de silicio.

+ 1 4 + 4

fig. 1

Estos materiales tienen la propiedad de agruparse en forma de cristales. Esta

agrupación se forma compartiendo electrones de a dos lo que se conoce con el nombre

de “uniones covalentes” esta unión se efectúa en forma tal que los electrones propios

más los que comparte con los vecinos completan los ocho necesarios para la órbita

externa de valencia y así resultan químicamente estables . En la representación del

cristal de silicio se adoptará una configuración plana representando a los átomos con la

simplificación indicada en la figura uno (derecha).Como allí se ve se separan los cuatro

electrones orbitales que son los que interesan y al resto se lo agrupa asignándole la

carga +4 como resultante de los +14 del núcleo y los -10 de los electrones incluidos.

Si a es núcleo se le puede agregar por cualquier medio energía, por ejemplo térmica, es

posible que alguno de sus electrones de valencia quede en una posición que le permite

abandonar fácilmente el átomo. El electrón que abandona el núcleo se transforma en un

”electrón libre”, mientras que el átomo que queda con un electrón menos recibe el

nombre de ”hueco”. Entonces cuando se agrega energía a un semiconductor alguno de

los electrones orbitales abandonará sus átomos transformándose en ”electrones libres” y

en los lugares abandonados por ellos se han formado ”huecos”.

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

fig. 2

El hueco es una partícula de propiedades

parecidas a las del electrón libre pero posee

un signo eléctrico opuesto (positivo). En la

figura 2 se representa un semiconductor

químicamente puro que se denomina

”semiconductor intrínseco”.

El semiconductor en contacto con el medio

ambiente tomará su temperatura y por lo tanto

sus electrones tendrán estadística-mente un

cierto nivel de energía. Algunos superarán ese

nivel medio de energía y tendrán la

posibilidad de abandonar sus átomos

formando los correspondientes huecos.

A la temperatura de trabajo o temperatura ambiente en un semiconductor intrínseco se

generarán en forma continua pares ”hueco-electrón”, pero los electrones libres pueden

ocupar los huecos de otros pares neutralizándolos. O sea que en un semiconductor

intrínseco a temperatura de trabajo habrá una tasa de generación de pares hueco-electrón

y habrá una tasa de recombinación . Si el sistema está en equilibrio la tasa de generación

es igual a la tasa de recombinación. El semiconductor intrínseco es entonces un ente de

equilibrio interno dinámico.

Los electrones libres y los huecos reciben el nombre de portadores, por lo tanto habrá

portadores positivos y portadores negativos.

Impurezas.-

En la práctica los semiconductores no se emplean en su carácter intrínseco sino que se

le agregan en cantidades muy pequeñas partículas llamadas impurezas. estas impurezas

pueden ser de dos tipos :

a) con 5 electrones orbitales como el antimonio y el arsénico(grupo 5).

b) con 3 electrones orbitales como el galio y el indio (grupo 3).

Las impurezas con cinco electrones orbitales al insertarse en un semiconductor

intrínseco en la unión covalente con los átomos vecinos deja un electrón libre mientras

que las impurezas con tres electrones orbitales dejan un hueco libre como se muestra en

la figura 3.

+ 4

+ 4 + 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4 + 4

+ 4

+ 4

+ 4

+ 4

+ 5

Im p u re z a

+ 4

+ 4 + 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4

+ 4 + 4 + 4

+ 4

+ 4

+ 4

+ 4

+ 3

I m p u r e z a

tipo N tipo P

fig. 3

Cuando se incorporan impurezas del grupo 5, en el semiconductor queda un exceso

de electrones libres o portadores negativos. Por esta razón a éste se le llama

semiconductor tipo N

Cuando se incorporan impurezas del grupo 3, en el semiconductor queda un exceso

de huecos o portadores positivos. Por esta razón a éste se le llama semiconductor tipo P.

Unión P-N.-

Si se unen dos cristales de un mismo semiconductor (uno tipo P y el otro tipo N)

como se indica en la figura 4 en donde los huecos o portadores positivos están del lado

izquierdo y los electrones o portadores negativos están del lado derecho.

+ + + + + + + - - - - - - -

+ + + + + + + - - - - - - -

+ + + + + + + - - - - - - -

+ + + + + + + - - - - - - -

+ + + + + + + - - - - - - -

+ + + + + + + - - - - - - -

+

-

h u e c o

e le c tr ó n lib r e

d o n a d o r e s

c a rg a d o s

p o s itiv a m e n te

d o n a d o r e s

c a rg a d o s

n e g a tiv a m e n te

P N

fig. 4

Los electrones libres y los huecos se encuentran, bajo las influencia de la

temperatura del cristal, en continuo movimiento. Debido a ello tienden a distribuirse

uniformemente por todo el cristal. Los huecos que en un principio prácticamente sólo se

encuentran en el cristal de la izquierda de conducción P , tienden en parte a desplazarse

hacia la derecha pasando al sector de conducción N, y una parte de los electrones libres

intentan pasar del sector derecho de conducción N al izquierdo de conducción P

Este fenómeno se denomina difusión y a la corriente vinculada se la llama corriente de

difusión .

+ + + + + + - + - - - - - -

+ + + + + + - - - - - -

+ + + + + + - - - - - -

+ + + + + + - - - - - -

+ + + + + + - - - - - -

+ + + + + + - - - - - -

P N

- +

- +

- +

- +- +

fig. 5

La corriente de difusión deja de fluir ya que los huecos que se desplazan desde el

sector izquierdo de conducción P hacia la derecha, dejan aceptores de carga negativa

que ejercen una fuerza de atracción (es decir de retroceso) sobre los huecos. Lo mismo

rige para los electrones que se desplazan de derecha a izquierda.

Los huecos y los electrones que se desplazan dejan atrás inmóviles a aceptores y

donadores respectivamente.

-

+ -

-

+ + + + + + - - - - - -

+ + + + + - - - - - -

+ + + + + + - - - - -

+ + + + + - - - - - -

+ + + + + + - - - - -

+ + + + + + - - - - - -

+

+

+ +

+

+

+

-

- -

-

-

fig.6

Ahora su carga eléctrica ya no queda compensada por los huecos y los electrones. Por

consiguiente, en el lado de conducción P de la unión PN se encuentra una carga

negativa no compensada y análogamente en el lado de conducción N otra positiva. Esto

se puede considerar como un capacitor de placas cargados y por analogía las cargas no

compensadas a ambos lados de la unión PN hacen que se establezca una diferencia de

potencial eléctrica llamado potencial de difusión o barrera de potencial.

-

P N

++

+

+ +

++

+

---

-

- -

-

-

P N

+++

++++

+

---

-

--

-

fig 7

En la unión de los cristales se establece una zona de carga espacial.

Ahora se analizará que sucede cuando se somete una unión PN a una diferencia de

potencial externa.

Si se conecta el positivo de una fuente al sector de conducción P de un cristal y el polo

negativo al de conducción N , mientras la tensión exterior sea muy inferior a la tensión

de difusión existente en la unión PN, sólo fluirá una corriente de muy baja intensidad,

puesto que la zona de carga espacial tiene en un principio una resistencia óhmica

relativamente alta. Pero ni bien la tensión exterior alcanza el valor de la tensión de

difusión la corriente comienza a aumentar en forma muy pronunciada.

+ + + + + + - - - - - -

+ + + + + - - - - - -

+ + + + + + - - - - -

+ + + + + - - - - - -

+ + + + + + - - - - -

+ + + + + + - - - - - -

P N

+

fig 8

Debido a la tensión exterior, los huecos son impulsados del sector de conducción P al

de conducción N, a través de la unión PN, mientras que los electrones se desplazan en

sentido contrario. Por lo tanto la zona de carga espacial que poseía una alta resistencia,

de pronto se encuentra inundada de portadores de cargas móviles disminuyendo

rápidamente su resistencia.

Con esta polaridad, la unión PN deja pasar corrientes de gran intensidad a tensiones

relativamente bajas. Por dicho motivo, este sentido de la corriente se denomina sentido

de conducción o de paso.

Ahora si se invierte la polaridad de la fuente externa los huecos en el sector de

conducción P y los electrones libres en el sector N son impulsados hacia afuera

alejándose de la unión PN. de esta forma se eliminan aún más los portadores de carga

libres en los alrededores de la unión PN, ensanchándose la zona de carga espacial, de

alta resistencia óhmica.

+ + + + +

+ - - - - - -

+ + + + + - - - - - -

+ + + + + + - - - - -

+ + + + + - - - - - -

+ + + + +

+ - - - - -

+ + + + +

+ - - - - - -

P N

+

fig 9

De este modo se impide el paso de la corriente aunque se apliquen tensiones elevadas,

esta polaridad recibe el nombre de sentido de bloqueo de la unión PN y la tensión

aplicada en dicho sentido se denomina tensión de bloqueo.

Diodos -Características tensión-corriente.-

Las propiedades de la juntura en la unión de semiconductores P-N se aprovechan para

la construcción de diodos. A partir de este punto, para facilitar el análisis se representará

al diodo con su símbolo. (Figura 10)

Semiconductor

tipo P

Semiconductor

tipo N

Juntura

(barrera de potencial) simbolo del diodo

fig.10

Se vio anteriormente que con la polaridad directa (sentido de conducción o de paso),

la unión PN del diodo deja pasar corrientes de gran intensidad a tensiones relativamente

bajas.

Si se ensaya un diodo con el circuito indicado en la figura 11 (a) de forma tal de ir

variando la corriente directa y se representa la tensión en bornes del diodo en función de

la corriente directa se obtiene el gráfico de la figura 11 (b)

I d

U d

I d

U d

C a r a c te r ís tic a

+ d e c o n d u c c ió n

(a) (b)

fig.11

Si se ensaya un diodo con el mismo circuito pero con polarización inversa (figura 12

a) y se representa la tensión en bornes del diodo en función de la corriente directa se

obtiene el gráfico de la figura 11 (b)

U I

I I

U I

C a r a c te rí s tic a

d e b lo q u e o

+

U Z

(b) (b)

fig.12

Aquí se pone de manifiesto la alta resistencia que ofrece el diodo en sentido inverso

debido a el ensanche de la zona de carga espacial. Si la tensión inversa se incremente

los suficiente (UZ) puede llegar a crear en la zona de carga espacial una intensidad de

campo eléctrico tan alta que se desprendan electrones de valencia de sus respectivos

enlaces iniciando un fenómeno de avalancha conocido como descarga Zenner.

U I

U Z

I D

U D

fig. 13

Si se unen las dos

características que se mostraron

anteriormente se obtiene la

característica completa de un

diodo. (figura 13)

...