Semiconductores


Los semiconductores son un grupo de materiales que presenta un valor intermedio de conductividad entre conductores y aislantes. Pero lo más importante es que este valor es fuertemente dependiente de la temperatura, de otras formas de excitación y de la presencia de pequeñísimas cantidades de impurezas. Su dependencia con la temperatura es opuesta a la de los metales, esto es, cuando aumenta la temperatura su conductividad aumenta, como ocurre en general con los materiales de pobre conductividad. Como veremos es la introducción controlada de impurezas (dopado) lo que provoca el enorme valor tecnológico de estos materiales.
El silicio (Si) y el germanio (Ge) en estado puro (ver pureza grado electrónico) son semiconductores típicos y hay otros materiales como arseniuro de galio (AsGa), sulfuro de cinc (SZn), óxido de cobre (OCu), etc.

Modelo microscopico de concuccion electrica de semiconductores

Retomando la descripción que hicimos para los metales, representemos nuevamente la estructura electrónica de un sólido cristalino:

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A diferencia de los metales, con su capa de valencia sólo parcialmente ocupada, los materiales semiconductores, (como mostramos para el silicio al estudiar la estructura de la materia), al unirse mediante covalencia, forman una estructura electrónica estable, en la que no quedan lugares vacantes.
Si el esquema de arriba representa la estructura electrónica de un cristal puro de un semiconductor típico, a 0 K (-273 °C) todos los electrones se encontrarán en su estado energético fundamental y la banda de valencia estará totalmente ocupada, mientras que la banda de conducción estará totalmente vacía. La característica distintiva de los semiconductores es que el GAP o "zona prohibida" tiene una "altura" energética del orden de 1eV, y esta es una diferencia de energía que los electrones pueden adquirir con sólo que aumente la temperatura unos pocos grados.[1]
Es decir, que a temperaturas crecientes le corresponderá una distribución electrónica cada vez más desplazada hacia la banda de conducción, donde hay muchos estados vacantes. Al mismo tiempo se van creando lugares vacantes en la banda de valencia. Podemos representarlo como sigue:

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El dibujo pretende esquematizar la situación donde tres electrones, que han adquirido la energía suficiente (los llamamos excitados), han "saltado" a la banda superior, dejando tres lugares vacantes (a los que llamaremos "huecos") en la banda de valencia. Por supuesto que la distribución electrónica entre las bandas es el resultado de un equilibrio dinámico en el que el "flujo" de electrones hacia la banda de conducción es igual al flujo en sentido inverso. Un electrón en la banda de conducción puede perder cierta cantidad de energía y volver a la banda de valencia y ello está ocurriendo permanentemente. Se llama a este proceso "recombinación". O sea que en un semiconductor en equilibrio térmico, existe un proceso continuo de excitación y recombinación de tal forma que la concentración de electrones y huecos se mantiene sensiblemente constante y, además la concentración de electrones (n) es igual a la concentración de huecos (p). A mayor temperatura corresponde mayor concentración de ambos. Además la concentración dependerá también, por supuesto, del valor del GAP.
Como sugieren los dibujos, los electrones que ocupan las bandas de energía superiores, no están limitados por las barreras de potencial atómicas, por lo que pueden desplazarse por todo el cristal.
Son los electrones que en los metales llamamos "libres". Pero mientras la banda de conducción esté totalmente llena y la de valencia totalmente vacía, ningún fenómeno de conducción eléctrica puede ocurrir. Como dedujimos en el capítulo anterior:

La condición para que una banda electrónica participe del proceso de conducción eléctrica es que no se encuentre totalmente llena ni totalmente vacía.

Pero cuando se produce la excitación electrónica, el panorama cambia totalmente pues al aplicar un campo eléctrico, tanto los electrones de la banda de valencia como los de la banda de conducción, comenzarán a tener un movimiento neto como cualquier carga libre en un campo eléctrico, dando origen a una corriente eléctrica.


En efecto, en la banda de conducción hay una pequeña cantidad de electrones y una gran cantidad de estados vacantes a los que aquellos pueden pasar. Pero también pasan cosas que nos interesan en la banda de valencia. La existencia de lugares vacantes, que hemos llamado "huecos", permite también un desplazamiento de electrones en el mismo sentido que en la banda de conducción (de la misma manera que se mueve un líquido, por acción de la gravedad, en un tubo parcialmente vacío y no lo puede hacer si está totalmente lleno). O sea que tenemos corrientes eléctricas en ambas bandas y los efectos se sumarán.
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La analogía con el tubo parcialmente lleno, todavía nos da otra utilidad. Efectivamente, mientras que allí la parte más notable del movimiento es la de las burbujas de aire, en el caso de los electrones puede describirse lo que sucede como el movimiento de los huecos "en contracorriente". Los huecos se consideran como partículas virtuales de carga positiva que se mueven en dirección opuesta a los electrones de la banda de conducción. A estas partículas virtuales se les puede asignar masa, energía cinética y potencial, etc. Esto facilita el tratamiento matemático del fenómeno y permite también una buena descripción cualitativa de los procesos que ocurren en los distintos dispositivos semiconductores.
La condición para que exista la corriente eléctrica es, por supuesto, --como se dijo--, la existencia de un campo eléctrico, o sea que se aplique una diferencia de potencial, que ocasionará que los electrones de la banda de conducción, moviéndose contra la dirección del campo, se dirijan hacia las regiones de mayor potencial eléctrico, mientras que los huecos de la banda de valencia se mueven en dirección opuesta.
Para describir los procesos de transferencia energética y de transporte, utilizamos gráficos como los de más arriba, donde en la dirección vertical, tenemos una variación de energía, mientras que la horizontal es una coordenada de posición. Pero al aplicar un campo eléctrico, que tendrá dirección horizontal, de alguna manera tendremos que considerar las variaciones de energía en esa dirección. Entonces, podemos darle una cierta pendiente a las líneas que representan los límites de las bandas de energía. Serán una especie de curvas de potencial, como las que se pueden dibujar a lo largo de un conductor bajo tensión, pero aquí menor nivel va a significar mayor potencial eléctrico. Es como si definiéramos potencial con el signo cambiado (rever definición de potencial) y tiene la ventaja de que así los electrones se mueven espontáneamente "cuesta abajo" y cuando tengamos que entender los procesos dentro de un transistor, resultará más sencillo.
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Como se comprende facilmente, el gráfico de la izquierda representa un SC, donde se muestran sólo los electrones excitados y los huecos, (ambos son los portadores de la corriente) en el que no hay aplicada diferencia de potencial. El caso opuesto (con tensión) se muestra a la derecha.
Todo lo que hemos discutido hasta aquí se refiere a un material puro, formando un monocristal perfecto. Es lo que se conoce como semiconductor intrínseco y no tiene mucha aplicación práctica, salvo como materia prima para la fabricación de los otros materiales, mucho más importantes, conocidos como semiconductores extrínsecos. La característica central de los primeros es, como hemos visto, que la concentración de huecos y electrones es la misma y ambos son portadores de la corriente, sumándose los efectos. Aunque las concentraciones sean iguales, la contribución de cada uno a la corriente total no es, en general, la misma, pues la movilidad de huecos y electrones no coincide.
En los semiconductores intrínsecos se observa una fuerte variación de la conductividad con la temperatura, siendo siempre la relación directa, aunque no proporcional (más bien es exponencial). Esto se explica porque en estos materiales, la conductividad es prácticamente directamente proporcional a la concentración de portadores, pues ésta constituye el factor limitante. Esto marca una diferencia importante con los conductores metálicos. En efecto, allí la concentración de portadores (electrones) es mucho mayor, ya que puede considerarse que cada átomo aporta un electrón conductor, (mientras que en los SC intrínsecos, típicamente, sólo un átomo de cada billón (10 12 ) , origina un portador) y el factor limitante (el cuello de botella) de la conductividad es la movilidad de los electrones. De aquí se puede explicar la distinta relación que presenta esta magnitud respecto de la temperatura, en los metales y en los SC, ya que la movilidad (relacionada con l) disminuye al aumentar ésta.
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Esta característica de los SC intrínsecos, constituye una limitación para posibles aplicaciones, además veremos que es muy útil que la conductividad sea fundamentalmente del tipo n o p.
Los semiconductores extrínsecos se obtienen, como se dijo, de los intrínsecos. El agregado de pequeñísimas cantidades de impurezas, altera profundamente y en forma previsible las propiedades eléctricas del material. Las impurezas que se agregan, en forma controlada, son elementos del grupo III o del V de la Tabla Periódica. Tanto el Si como el Ge, que tomaremos como ejemplo, pertenecen al grupo IV, lo que significa que poseen cuatro electrones de valencia. Estos electrones, compartidos entre átomos vecinos, forman el enlace químico, sumamente estable que origina la estructura del sólido en forma de cristal ordenado. Una visión simplista de un corte de un cristal podría ser la del dibujo más abajo, donde los puntos negros representan electrones de valencia en la banda de valencia. Como vimos, estos electrones tienen una estructura energética que describimos anteriormente mediante el modelo de las bandas de energía, que incluye la posibilidad de que algunos de ellos se "exciten" y pasen a la banda de conducción, dejando un lugar vacante o hueco, que aquí está representado por el círculo vacío:
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Ahora, si algunos átomos del cristal intrínseco, son reemplazados por átomos del V grupo (esto significa cinco electrones de valencia), el electrón sobrante causará una profunda alteración energética. Todo ocurre como si este electrón de más, ya en el estado fundamental (no excitado) tuviese casi la energía necesaria para alcanzar la banda de conducción. Cosa que ocurre ya a muy baja temperatura. Podemos representarlo como antes, salvo que, para mayor claridad, no dibujaremos ni los electrones en la banda de valencia ni los lugares vacantes en la banda de conducción. Con este modelo gráfico seguiremos trabajando de aquí en más.
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La consecuencia inmediata de este mecanismo es que se crea un portador (electrón libre), por cada átomo extraño agregado, y a bajas temperaturas. Si recordamos que en el intrínseco se necesitaba del orden de 10 12 átomos para tener un portador ( o dos contando el hueco), podemos comprender que el agregado de cantidades tan pequeñas como una parte de dopante cada diez millones (o sea 10 7 ) de partes del material base, ocasiona un aumento de cinco órdenes de magnitud (cien mil veces) en la concentración de portadores, con el consiguiente aumento de la conductividad.
Pero además, otra cosa muy importante ha sucedido, se ha roto la paridad electrón / hueco. En efecto, junto con el electrón libre, no se forma ahora un hueco, como en el mecanismo intrínseco, por lo que los portadores son ahora mayoritariamente electrones. Decimos mayoritariamente porque el mecanismo intrínseco seguirá funcionando y aunque en una proporción muchísimo menor se formarán pares electrón / hueco, que denominaremos portadores minoritarios.
En forma simétrica, si se dopa con un elemento trivalente (tres electrones de valencia, grupo III), todo sucede como si se formaran sitios vacantes para electrones con una muy pequeña diferencia de energía respecto del "techo" de la banda de valencia. Ya a bajas temperaturas, electrones tienen suficiente energía para ocupar esos sitios, dejando un hueco en la banda de valencia, sin que aparezca un electrón en la banda de conducción. Valen las mismas consideraciones para los portadores minoritarios.
El primer caso descrito, con dopaje pentavalente, origina un semiconductor conocido como SC n y en este último caso SC p. Las letras n y p hacen referencia a negativo y positivo, signo de los portadores mayoritarios, en cada caso.
Aparte de aumentar la conductividad en forma controlada, y poder elegir el signo de la carga de los portadores mayoritarios (que ya veremos la gran importancia que tiene) este proceso también cambia las características del comportamiento frente a los cambios de temperatura.
Analicemos el siguiente gráfico, donde se representa la conductividad en función de la temperatura para un SC extrínseco. En línea punteada se conserva la traza para un SC intrínseco, como referencia.
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A temperaturas muy bajas, cerca de 0 K, todos los electrones se encuentran en su estado fundamental y, como en los SC intrínsecos, no existe conductividad. Pero puesto que la energía de excitación de los electrones de las impurezas añadidas es muy baja, ya a pocos Kelvin (a ) comienzan a existir portadores y la conductividad sube muy rapidamente hasta que todos los electrones de los átomos donores, (o los huecos de los aceptores) se han activado.
A partir de esta temperatura, la concentración de portadores se mantiene practicamente constante y se observa una leve disminución de la conductividad, debida a la menor movilidad de aquellos. La conductividad alcanza un valor mínimo, ( b ) antes de que comience a crecer nuevamente la concentración de portadores, ( y con ella, la conductividad) ahora por acción del mecanismo intrínseco que analizamos anteriormente. La zona de trabajo habitual de los SC extrínsecos está comprendida entre los valores de temperatura a y b donde la concentración de portadores es constante.


Semiconductor


Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla siguiente.

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El elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².

Conductividad eléctrica del cristal


Para que la conducción de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones que no estén ligados a un enlace determinado (banda de valencia), sino que sean capaces de desplazarse por el cristal (banda de conducción). La separación entre la banda de valencia y la de conducción se llama banda prohibida, porque en ella no puede haber portadores de corriente. Así podemos considerar tres situaciones:
  • Los metales, en los que ambas bandas de energía se superponen, son conductores.
  • Los aislantes (o insuladores), en los que la diferencia existente entre las bandas de energía, del orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones.
  • Los semiconductores, en los que el salto de energía es pequeño, del orden de 1 eV, por lo que suministrando energía pueden conducir la electricidad; pero además, su conductividad puede regularse, puesto que bastará disminuir la energía aportada para que sea menor el número de electrones que salte a la banda de conducción; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya conductividad es constante, o más propiamente, poco variable con la temperatura.

Tipos de semiconductores

Semiconductores intrínsecos

Un cristal de silicio forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente, algunos electrones pueden, absorbiendo la energía necesaria, saltar a la banda de conducción, dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente son de 1,12 y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.
Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno, se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, 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:

ni=n=p

Siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura. Si se somete el 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, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), 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.
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Semiconductores extrínsecos

Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio.

Semiconductor tipo N

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso, negativas).
Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones.
El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender como se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra está débilmente vinculado al átomo y puede ser excitado fácilmente hasta la banda de conducción. A temperaturas normales, virtualmente todos los electrones están en la banda de conducción. Cuando la excitación de estos electrones no da como resultado la formación de "huecos", el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.

Semiconductor tipo P

Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos).
Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.
El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo trivalente (típicamente del grupo IIIA de la tabla periódica, de los átomos vecinos, completando así sus cuatro enlaces. Así los dopantes crean los "huecos". Cada hueco está asociado con un ion cercano cargado negativamente, por lo que el semiconductor se mantiene eléctricamente neutro en general. No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado por un electrón. Por esta razón un hueco se comporta como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.