Semiconductor

Semiconductor

  Como la misma palabra indica, no son aislante ni conductores. Podemos definir los semiconductores como aquellos materiales que se comportan como conductores solo en determinadas condiciones, en otras condiones se comportan como aislantes. Por eso se dice que están en un punto intermedio entre los conductores y los aislantes.

 Por ejemplo, hay materiales que a partir de una cierta temperatura son conductores, pero por debajo de esa temperatura, son aislantes.

 Otros factores que pueden influir en la conductividad de los semiconductores son la presión, presencia de un campo magnético o eléctrico o una radiación incidiendo sobre el semiconductor.



 En electrónica son muy importantes ya que muchos componentes electrónicos se fabrican con semiconductores debido a su fiabilidad, su eficiencia y bajo coste. Aqui puedes ver los 13 materiales semiconductores que conocemos y su posición en la tabla periódica:



 Como luego veremos unos se utilizan para construir semiconductores intrínsecos y otros para extrínsecos.

 Cuando acabes de ver el tema, te recomendamos que hagas los ejercicios sobre semiconductores de la parte de abajo para repasar y ver lo que has aprendido.

 Fisica de Semiconductores

 Para entender los principios físicos de los semiconductores tenemos que conocer como están formados los átomos de los elementos.

 En el núcleo del átomo se encuentran protones, con carga positiva y los neutrones, solo con masa, no tienen carga eléctrica. Fuera del núcleo y  girando alrededor de él, en las llamadas órbitas, se encuentran los electrones, con la misma carga que los protones pero negativa.



 Cualquier átomo tiene el mismo número de protones en su núcleo que electrones girando en órbitas alrededor del núcleo. La carga positiva de los protones se anula con la negativa de los electrones, por eso el átomo, en su estado normal, tiene carga eléctrica nula (no tiene carga).

 Pero no todos los átomos son iguales. Cada elemento de la tabla periódica tiene diferentes átomos, pero todos están formados por las mismas partículas: protones, neutrones y electrones. Solo se diferencian en el número de ellas. El número de protones o electrones determina el número atómico del elemento. 

 Recuerda: los materiales están formados por átomos.

 Los electrones son las partículas que realmente importan para estudiar la conducción eléctrica. La corriente eléctrica es un movimiento de electrones. Si somos capaces de mover los electrones de los átomos de un material de un átomo a otro, conseguiremos generar corriente eléctrica por él. Esta material se convertirá en conductor. Hay materiales que no podemos mover los electrones de sus átomos nunca, serán los aislantes.

 - Conductor: los electrones de sus átomos podemos moverlos de un átomo a otro fácilmente.

 - Aislante: los electrones de sus átomos no se pueden mover o es muy dificil conseguir moverlos.

 Dentro de todos los electrones de un átomo, Los electrones que más fácil nos resultaría hacerles abandonar el átomo son los que se encuentran en la última capa u órbita del átomo. Ahora veremos por qué.

 Cada órbita o capa en la que giran los electrones esta situada en lo que se llama una banda de energía. Los electrones que están girando un una banda, tiene la misma energía que esa banda. Para pasar un electrón de una banda de energía (capa) a otra necesitamos suministrarle energía para que se produzca el salto.

 Los electrones más cercanos al núcleo están muy unidos a él y tienen poca energía. Los más externos son las que tienen más energía, pero los que resulta más fácil hacerles abandonar el átomo, porque precisamente son los más alejados y menos unidos al nucleo.

 Para que un electrón de las capas más próximas al núcleo sea capaz de abandonar el átomo, tendríamos que ir pasándolo de capa en capa hasta llegar a la última capa. Es decir necesitaríamos ir suministrándole energía para pasar de una capa a otra hasta llegar a la más externa (banda de valencia). Inicialmente, tienen poca energía y pasarían a mucha energía al llegar a la capa más externa. Esto sería muy difícil de hacer, por este motivo, estos electrones no se usan para abandonar el átomo y provocar corriente eléctrica. Solo se usan los electrones de la última capa, llamados electrones de valencia. Estos son los que utilizaremos para hacerles abandonar el átomo, que pasen a otro y  provocar corriente eléctrica por el material.



 Si te interesa la configuración electrónica de los átomos te recomendamos el siguiente enlace para ampliar conocimientos: Configuración electrónica de los elementos.

 Pero ojo, estos electrones de la última capa, la más externa o de valencia, todavía tenemos que lograr que abandonen esta capa para que dejen por completo al átomo. Es como si tuvieran que saltar una última capa. Esta capa la llamaremos de banda conducción. Sería esa capa de conducción, la que tendría que saltar un electrón de la última capa para hacerle abandonar por completo el átomo. 

 OJO el salto sería suministrándole energía. Salto es igual a energía. Hay materiales que esta capa de conducción, sería muy grande, les costaría mucho abandonar el átomo, incluso estando en la última capa o banda. Estos materiales son los aislantes. Si es muy fácil hacerles saltar esta capa (que pasen de la de valencia a la de conducción), se llamaría conductor.

 - Conductor: banda de conducción pequeña.

 - Aislante: Banda de conducción grande.

 Podríamos resumir todo esto diciendo que los electrones dentro de un átomo se pueden encontrar en 3 tipos de bandas diferentes:

 - Banda de Valencia: Intervalo energético donde están los electrones de la última órbita del átomo.

 - Banda Prohibida: Energía que ha de adquirir un electrón de la banda de valencia para poder moverse libremente por el material y pasar a la banda de conducción.

 - Banda de conducción: Intervalo energético donde están aquellos electrones que pueden moverse libremente. Están libres de  la atracción del atomo.

 Aquí tienes una ilustración de como serían las bandas de un material si fuera conductor, aislante o semiconductor.



 En los aislantes un electrón de la capa de valencia no podríamos pasarlo a la de conducción, es demasiado difícil o ancha. Si te fijas en los conductores no hay capa prohibida, los electrones de valencia pasarían muy fácilmente a la de conducción.

 Los semiconductores tienen una dificultad intermedia para pasar los electrones de valencia a la de conducción. En la mayoría de ellos es necesario suministrarles energía en forma de calor, por ejemplo, para que pasen de la de valencia a la de conducción. Es decir, convertirles en materiales conductores.

 Un semiconductor se caracteriza por tener una banda prohibida, entre la de conducción y la de valencia, pero no muy ancha.

  Características de Semiconductores

 Tenemos que decir que cuando arrancamos un electrón al átomo, este se desequilibra, pasando a tener carga positiva (un protón más que electrones tenía). Esto es lo que se conoce como ionización, ya que lo convertimos en un ión positivo o catión.

 Si por el contrario, el átomo no tiene su última capa llena y, por cualquier circunstancia le llega un electrón nuevo a esta capa, quedará cargado negativamente (un electrón más que protones tenía). Se convierte en un Ion negativo o anión.

 El carbono, el silicio, el germanio y el estaño tienen en su última capa 4 electrones, se les llama tetravalente, por que pueden ceder 1, 2, 3 o 4 electrones.

 Lógicamente un material está formado por millones de átomos, unidos mediante enlaces. Todos los semiconductores son materiales que tienen su átomos unidos por enlaces covalentes. (pincha en el enlace subrayado si quieres saber más). Comparten los electrones de su última capa de 2 en 2. 

 Uno de estos electrones compartidos entre dos átomo por medio el enlace covalente, será el que tengamos que arrancar.



 Pero....¿Qué pasa entonces cuando el electrón abandona el átomo?. Pues que dejará lo que se llama un hueco.



 Producción de pares electrón-hueco

 Cuando un electrón se marcha del átomo rompe el enlace covalente de pares de electrones y dejará un hueco vacío (fíjate en la imagen de arriba en el silicio). Este hueco puede ser ocupado, más bien lo ocupará, otro electrón que hubiera abandonado otro átomo cercano a él. Así que se van generando huecos y estos huecos se van rellanando por otros electrones de otros átomos. Así es como pasa la corriente por los semiconductores, pares electrón-hueco. 

 Se dice que en la conducción de los semiconductores interviene el par electrón-hueco.



 Los dos materiales que más se usan para fabricar semiconductores son el Germanio y el Silicio. Ahora bien, purificar un material al cien por cien, requiere procesos muy costosos, lo que hace que los materiales que se usan contengan muchas impurezas. Por la cantidad de impurezas que posean, se pueden clasificar en intrínsecos y extrínsecos.

 Semiconductores Intrínsecos

 Son los que prácticamente carecen de impurezas; un átomo de impureza por cada 10 elevado a 11, átomos del semiconductor.

 Estos semiconductores, que se pueden considerar casi puros, la conducción se realiza por pares electrón-hueco, producido por generación térmica, de modo que cuanto mayor es el calor, mayor es la cantidad de portadores de carga libre generados (electrones-huecos) y menor su resistividad, siendo esta a temperatura ambiente (27ºC) de:

 - Germanio = 60 ohmios por centímetro.

 - Silicio = 150.000 ohmios por centímetro.

 El Germanio tiene un ancho de banda prohibida de 0,72 eV (electrón voltios) y el Silicio de 1,12 eV.

 Los semiconductores intrínsecos se usan como elementos sensibles a  la temperatura, por ejemplo una termoresistencia (PTC o NTC).

 Semiconductores Extrínsecos

 Son los que poseen un átomo de impureza por cada 10 elevado a 7 átomos de semiconductor. Además estos átomos de impurezas, más numerosos que en los intrínsecos, suelen tener 3 o 5 electrones de valencia, con el fin de que les sobre o les falte un electrón para completar los enlaces covalentes con los átomos del material semiconductor (recuerda son 4 electrones en el enlace covalente).

 Al tener portadores independientes de la generación térmica, la resistividad de estos es menor que la de los intrínsecos. Este tipo de semiconductores no se suelen usar para conducción por calor, para eso están los intrínsecos.

 - Germanio = 4 ohmios por centímetro.
 - Silicio = 150 ohmios por centímetro.

 La conductividad de este tipo de semiconductores, será mayor cuanto mayor sea el número de portadores libres y, por tanto aumentará con el número de impurezas.

 Como dijimos anteriormente, los átomos de impurezas suelen tener 3 o 5 electrones de valencia, lo que permite subdividir a estos semiconductores extrínsecos en dos tipos diferentes: Tipo N y Tipo P. Tipo N con impurezas con 5 electrones de valencia. Tipo P con impurezas de 3 electrones de valencia.



 Como ves los del tipo N tienen impurezas donadoras de electrones por que proporcionan electrones. En la formación de enlaces covalentes les sobra un electrón.

 Los del tipo P tienen impurezas aceptadores de electrones por que proporcionan huecos. En la formación de enlaces covalentes, al tener solo 3 electrones que pueden formar enlace, el enlace se queda con un hueco. Como los huecos atraen a los electrones, se pueden considerar con carga positiva.

 Las impurezas en los del tipo N pueden ser átomos de arsénico, antimonio, fosforo, etc.

 Las impurezas en los del tipo P pueden ser átomos de aluminio, boro, galio, etc.

 Tanto en uno como en otro, los portadores son las impurezas. En un caso los portadores son electrones (tipo N) y en otro los huecos (tipo P).

 La mayoría de los componentes electrónicos que se usan en electrónica: diodos, transistores, etc, se construyen uniendo semiconductores del tipo P con los del tipo N. La unión PN la puedes ver explicada en el siguiente enlace:Union PN.