semiconductores intrínsecos y dopados
TRANSCRIPT
TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
Semiconductores Intrínsecos y
Semiconductores Dopados
S E M I CO N D U C TO R E S I N T R Í N S E CO S
Los semiconductores intrínsecos son los cristales semiconductores puros. A temperatura
ambiente se comporta como un aislante porque solo tiene unos pocos electrones libres y
huecos debidos a la energía térmica. En ellos, el número de huecos es igual al número de
electrones y es función de la temperatura del cristal.
La conductividad en ellos a temperatura ambiente no suele ser muy alta, y la cantidad de
electrones libres es igual a la cantidad de huecos presente en el cristal debido al fenómeno de
recombinación. A una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares
electrón-hueco, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de
electrones y huecos permanece invariable. Siendo n la concentración de electrones (cargas
negativas) y p la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:
S E M I CO N D U C TO R E S I N T R Í N S E CO S
Ni=n=p
Siendo la Ni concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la
temperatura. Al someter al cristal a una diferencia de tensión, se producen dos
corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres
de la banda de conducción, y por otro lado, la corriente debida al desplazamiento
de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos
próximos, originando una corriente de huecos en la dirección contraria al campo
eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.
S E M I CO N D U C TO R E S I N T R Í N S E CO S
Ni = B*T⅔ + e[-Eg/2*K*T]
Donde: Ni: Constante del material semiconductor especifico. Eg : Es la magnitud del nivel de energía entre banda (banda prohibida). T: Temperatura en grado Kelvin (K) K: Constante de Boltzmann 86*10-6 eV/ K La constante del material para el Silicio (Si) es 5,23*10 15cm-3K-3/2, para el Arseniuro de Galio (GaAs) es 2,10*1014 cm-3K-3/2 y para el Germanio (Ge) es de 1,66 cm-3K-3/2.
SEMICONDUCTORES DOPADOS
En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso
intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente
puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus
propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de
semiconductores a dopar. A los semiconductores con dopajes ligeros y
moderados se los conoce como extrínsecos. Un semiconductor altamente
dopado, que actúa más como un conductor que como un semiconductor,
es llamado degenerado.
SEMICONDUCTORES DOPADOS
El número de átomos dopantes necesitados para crear una diferencia en
las capacidades conductoras de un semiconductor es muy pequeña.
Cuando se agregan un pequeño número de átomos dopantes (en el orden
de 1 cada 100.000.000 de átomos) entonces se dice que el dopaje es bajo
o ligero. Cuando se agregan muchos más átomos (en el orden de 1 cada
10.000 átomos) entonces se dice que el dopaje es alto o pesado. Este
dopaje pesado se representa con la nomenclatura N+ para material de
tipo N, o P+ para material de tipo P.
SEMICONDUCTORES DOPADOS
Tipos de materiales dopantes
Se llama material tipo N al que posee átomos de impurezas que permiten la aparición de
electrones sin huecos asociados a los mismos. Los átomos de este tipo se llaman donantes
ya que "donan" o entregan electrones. Suelen ser de valencia cinco, como el Arsénico y el
Fósforo. De esta forma, no se ha desbalanceado la neutralidad eléctrica, ya que el átomo
introducido al semiconductor es neutro, pero posee un electrón no ligado, a diferencia de
los átomos que conforman la estructura original, por lo que la energía necesaria para
separarlo del átomo será menor que la necesitada para romper una ligadura en el cristal de
silicio (o del semiconductor original). Finalmente, existirán más electrones que huecos, por
lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los últimos los minoritarios. La
cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de
impurezas introducidos.
SEMICONDUCTORES DOPADOSTipo NEl siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje N). En el caso del Fósforo, se dona un electrón.
SEMICONDUCTORES DOPADOS
Tipo P
Se llama así al material que tiene átomos de impurezas que permiten la formación de
huecos sin que aparezcan electrones asociados a los mismos, como ocurre al romperse una
ligadura. Los átomos de este tipo se llaman aceptores, ya que "aceptan" o toman un
electrón. Suelen ser de valencia tres, como el Aluminio, el Indio o el Galio. Nuevamente, el
átomo introducido es neutro, por lo que no modificará la neutralidad eléctrica del cristal,
pero debido a que solo tiene tres electrones en su última capa de valencia, aparecerá una
ligadura rota, que tenderá a tomar electrones de los átomos próximos, generando
finalmente más huecos que electrones, por lo que los primeros serán los portadores
mayoritarios y los segundos los minoritarios. Al igual que en el material tipo N, la cantidad
de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas
introducidos.
SEMICONDUCTORES DOPADOS
El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Boro (P dopaje). En el caso
del boro le falta un electrón y, por tanto, es donado un hueco de electrón.
SEMICONDUCTORES DOPADOS
Historia
El dopaje fue desarrollado originalmente por John Robert Woodyard
mientras trabajaba para la Sperry Gyroscope Company durante la
Segunda Guerra Mundial.[1] La demanda de su trabajo sobre el radar
durante la guerra no le permitió desarrollar más profundamente la
investigación sobre el dopaje, pero durante la posguerra se generó una
gran demanda iniciada por la companía Sperry Rand, al conocerse su
importante aplicación en la fabricación de transistores.[2]
SEMICONDUCTORES DOPADOS
Referencias
↑ Patente US No.2,530,110, llenada, 1944, otorgada 1950
↑ Morton, P. L. et al. (1985). «John Robert Woodyard
, Ingeniero eléctrico: Berkeley». Universidad de California: En
memoria. Consultado el 12-08-2007.