Fundamentos Del Semiconductor

ESTRUCTURA ATÓMICA.

La materia está compuesta por moléculas, las que a su vez se componen de átomos, siendo ésta la parte más pequeña en que se puede dividir un cuerpo simple sin perder sus propiedades químicas.

La palabra átomo proviene del griego ATOMO, que etimológicamente significa indivisible, y corresponde a la unidad básica de todo elemento químico.

El átomo posee por tres partículas estables:

a) PROTÓN: Contiene carga positiva y se ubica en el núcleo del átomo.

b) NEUTRÓN: No contiene carga eléctrica, y se ubica en el núcleo del átomo.

c) ELECTRÓN: Contiene carga negativa, y se ubica girando alrededor del núcleo describiendo órbitas.

MAGNITUDES DE INTERÉS DENTRO DE UN ÁTOMO:

Carga del Electrón qē = -1.602 x 10-19 (C).

Carga del Protón qp = +1.602 x 10-19 (C).

Masa del electrón mē = 9,106 x 10-31 (Kg).

Masa del protón mp = 1,672 x 10-27 (Kg).

CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DEL ÁTOMO: Los electrones se distribuyen por capas en torno al núcleo. A las capas se les asigna un número cuántico o energético, y contienen a su vez a diversas órbitas. A partir de dicha asignación, cuanto mayor sea el valor del número cuántico, mayor será la energía de los electrones de esa órbita.

Es importante considerar ciertos principios o reglas que permiten asignar configuraciones electrónicas probables para los átomos de diversos elementos de la tabla periódica, y donde existe una secuencia definida con la que se llenan las órbitas, dentro de la cual los electrones tienden primeramente a ocupar dentro del proceso de llenado órbitas de energía mínima, y junto a ellos se agrega el Principio de exclusión de Pauli, y el Principio de Multiplicidad Máxima o Regla de Hund. La secuencia es la siguiente para el llenado de órbitas:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

El esquema siguiente es útil como ayuda para aprender esta secuencia (hay que seguir las flechas de arriba hacia abajo).

Secuencia para el llenado de órbitas dentro de la configuración electrónica de un átomo.

Por otra parte, el electrón tiene la propiedad de cambiar de órbita y, por consiguiente, de nivel energético, al aplicarle una determinada cantidad de energía. El número máximo de electrones por capa queda definido por la siguiente ecuación:

N = 2 x n2

donde

N = Número máximo de electrones

n = Número cuántico de la capa.

Modelos atómicos para los elementos Boro y Carbono, pertenecientes a la tabla periódica.

CAPAS

K L M N . . .

Nº CUÁNTICO 1 2 3 4 . . .

ÓRBITAS

s s p s p d s p d f . . .

ELECTRONES POR ÓRBITA 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 . . .

Nº TOTAL DE ELECTRONES 2 8 18 32 . . .

Tabla resumen para configuración electrónica de un átomo

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES DESDE EL PUNTO DE VISTA ELÉCTRICO:

AISLANTE: Un aislante o dieléctrico es un material que presenta un nivel muy inferior de conductividad cuando se encuentra bajo la presión de una fuente de voltaje aplicada en sus terminales. Además, la última capa se encuentra completa o casi completa de electrones.

CONDUCTOR: El término conductor se aplica a cualquier material que permite un flujo generoso de carga cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales. Su última capa posee 1 o 2 electrones.

SEMICONDUCTOR: Un semiconductor, por lo tanto, es un material que posee un nivel de conductividad que se localiza entre los extremos de un aislante y de un conductor. Posee su última capa casi siempre con 4 electrones.

Los materiales de aplicación práctica dentro de la Electrónica son los denominados semiconductores tales como el Silicio (Si) y el Germanio (Ge), los cuales poseen características estructurales y eléctricas bien definidas, y que se revisarán a continuación.

Por otra parte, e inversamente relacionado con la conductividad de un material, se encuentra la resistencia al flujo de carga o corriente, es decir, mientras mayor sea el nivel de conductividad, menor será el nivel de resistencia. Dentro de las tablas de referencia, el término resistividad (, letra griega rho) se utiliza muchas veces al comparar varios niveles de resistencia de materiales. En unidades métricas. la resistividad de un material se mide como  · cm, o bien como  · m.

Definición para la unidad métrica de resistividad.

La resistencia eléctrica queda definida entonces a partir del concepto de resistividad como:

CONDUCTOR SEMICONDUCTOR

AISLANTE

  1 x 10-6  · cm (Cobre)   50  · cm (Germanio)

  50 x 103  · cm (Silicio)   1 x 1012  · cm (Mica)

Coeficientes de resistividad para algunos materiales.

ESTRUCTURA CRISTALINA

Los materiales que tienen una disposición atómica regular (patrón bien definido) se denominan cristales, es decir los átomos se asocian formando figuras geométricas semejantes y continuas, siendo esta la característica de casi todas las sustancias sólidas. Son una excepción los vidrios, que representan líquidos congelados.

Estructura de

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