Curso: Electrónica (Taller III) Grupos: XII-A y C Bachilleres en Eléctrica.

Curso: Electrónica (Taller III)
Grupos: XII-A y C Bachilleres en Eléctrica.
Facilitador: Jorge L, Patiño V.
Instituto Profesional y Técnico de Veraguas
Curso: Electrónica (Taller III)
Tema: N° 1
SEMICONDUCTORES
Grado: 12° Electricidad
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Curso: Electrónica (Taller III)
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TEORÍA DEL SEMICONDUCTOR
INTRODUCCIÓN
Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las
de un aislante y la de un conductor, considerados en orden creciente
Los semiconductores más conocidos son el silicio (Si) y el germanio (Ge). Debido a que, como veremos más
adelante, el comportamiento del silicio es más estable que el germanio frente a todas las perturbaciones
exteriores que pueden variar su respuesta normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más utilizado
en la fabricación de los componentes electrónicos de estado sólido. A él nos referiremos normalmente, teniendo
en cuenta que el proceso del germanio es absolutamente similar.
Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo, como electrones en las
órbitas que le rodean. (En el caso del silicio este número es de 14). El interés del semiconductor se centra en su
capacidad de dar lugar a la aparición de una corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones.
Como es de todo conocido, un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre
ambos. Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser liberados
de la misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas exteriores. Estos electrones pueden, según lo
dicho anteriormente, quedar libres al inyectarles una pequeña energía. En estos recaerá nuestra atención y es
así que en vez de utilizar el modelo completo del átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación
simplificada (figura 2) donde se resalta la zona de nuestro interés.
La zona sombreada de la figura 2 representa de una
manera simplificada a la zona sombreada de la figura 1
Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser liberados de la fuerza de atracción del
núcleo son cuatro.
Semiconductor
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Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos
factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la
temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica
se indican en la tabla adjunta.
Elemento Grupos
Electrones en
la última capa
Cd
12
2 e-
Al, Ga, B, In
13
3 e-
Si, C, Ge
14
4 e-
P, As, Sb
15
5 e-
Se, Te, (S)
16
6 e-
El elemento semiconductor más usado es el silicio, el
segundo el germanio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos
12 y 13 con los de los grupos 14 y 15 respectivamente (GaAs, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd).
Posteriormente 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.
Índice




1 Tipos de semiconductores
o 1.1 Semiconductores intrínsecos
o 1.2 Semiconductores extrínsecos
 1.2.1 Semiconductor tipo N
 1.2.2 Semiconductor tipo P
2 Véase también
3 Enlaces externos
4 Semiconductores y electrónica
Tipos de semiconductores
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Semiconductores intrínsecos
Es un cristal de Silicio o Germanio que 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 absorber la energía necesaria para 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 eV 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 de singadera extrema 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 constante. 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 y del tipo de
elemento.
Ejemplos de valores de ni a temperatura ambiente (27ºc):
ni(Si) = 1.5 1010cm-3
ni(Ge) = 1.73 1013cm-3
Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En los semiconductores, ambos tipos de
portadores contribuyen al paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial 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 con 4 capas ideales y en la dirección
contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.
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. Hoy en día se han logrado añadir impurezas de una parte por cada 10 millones, logrando con
ello una modificación del material.
 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 negativos o
electrones).
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Cuando se añade el material dopante 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 cómo 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 15 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 da como
resultado la formación de "electrones libres", 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 o
huecos).
Cuando se añade el material dopante 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 tetravalente
(típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como
los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un
átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrará en
condición de aceptar un electrón libre.
Así los dopantes crean los "huecos". 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 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.
Véase también




Diodo
Transistor
Silicio
Conductividad eléctrica
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QUÉ SON LOS SEMICONDUCTORES
Texto e ilustraciones José Antonio E. García Álvarez
Contenido:
> Introducción. Materiales conductores
– Materiales aislantes o dieléctricos
– Materiales semiconductores
– Semiconductores "intrínsecos"
– Semiconductores "extrinsecos"
– Conversión del silicio en
semiconductor
"tipo-n" o en "tipo-p"
– Semiconductor de silicio "tipo-n"
– Semiconductor de silicio "tipo-p"
– Mecanismo de conducción de un
semiconductor
INTRODUCCIÓN. MATERIALES CONDUCTORES
Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza poseen características diferentes, agrupadas
todas en la denominada “Tabla de Elementos Químicos”. Desde el punto de vista eléctrico, todos los cuerpos
simples o compuestos formados por esos elementos se pueden dividir en tres amplias categorías:



Conductores
Aislantes
Semiconductores
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Los materiales conductores ofrecen una baja resistencia al paso de la corriente eléctrica. Los semiconductores se encue
a medio camino entre los conductores y los aislantes, pues en unos casos permiten la circulación de la corriente eléctric
otros no. Finalmente los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. En la foto supe
muestran algunos de esos materiales: A) Conductor de alambre de cobre. B) Diodos y C) transistor (dispositivos
semiconductores en ambos casos). D) Aislantes de porcelana instalados en un transformador distribuidor de energía el
de bajo voltaje y E) Aislantes de vidrio soportando cables a la intemperie montados en un poste para distribución de en
eléctrica de media tensión. Los aislantes, al contrario de los conductores, constituyen materiales o cuerpos que ofrecen
alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. TEORÍA DEL SEMICONDUCTOR.docx
MATERIALES CONDUCTORES
En la categoría “conductores” se encuentran agrupados todos los metales que en mayor o menor medida
conducen o permiten el paso de la corriente eléctrica por sus cuerpos. Entre los mejores conductores por orden
de importancia para uso en la distribución de la energía eléctrica de alta, media y baja tensión, así como para la
fabricación de componentes de todo tipo como dispositivos y equipos eléctricos y electrónicos, se encuentran el
cobre (Cu), aluminio (Al), plata (Ag), mercurio (Hg) y oro (Au).
Los conductores de cobre son los materiales más utilizados en los
circuitos eléctricos por la baja resistencia que presentan al paso de la
corriente.
En general el núcleo de los átomos de cualquier elemento que forman todos los cuerpos sólidos, líquidos y
gaseosos que conocemos se encuentran rodeados por una nube de electrones que giran su alrededor, distribuidos
en una o en varias órbitas, capas o niveles de energía. Al átomo de cada elemento contemplado en la “Tabla de
Elementos Químicos” le corresponde un número atómico que sirve para diferenciar las propiedades de cada
uno de ellos. Ese número coincide también con la cantidad total de electrones que giran alrededor del núcleo
de cada átomo en particular. No obstante, independientemente de la cantidad total de electrones que le
corresponda a cada elemento, en la última capa u órbita sólo pueden girar de uno a ocho electrones como
máximo.
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Diferentes formas de representar de forma gráfica un. mismo.
átomo, en este caso de cobre (Cu): A) Normal, en. la que.
aparecen todos los electrones girando alrededor del
núcleo de ese elemento en sus respectivas órbitas.
B) Representación plana en la que se pueden observar, de. forma
parcial, las cuatro órbitas o niveles de energía que
le corresponden a ese átomo con la distribución numérica
de todos los electrones que posee en cada una de ellas.
( 29 en total ). C) La misma representación plana, pero.
más simplificada, en la que se muestra solamente la última órbita o banda de valencia, identificada con. el
número “1”, o sea, el único electrón que posee en esa posición. D) El mismo átomo mostrado ahora. en
representación plana, con la última órbita y el único electrón que gira en la misma.
Banda de valencia
Como ya conocemos, todos átomos que integran cualquier cuerpo material poseen órbitas o capas,
denominadas también niveles de energía, donde giran electrones alrededor de sus núcleos. La última de esas
capas se denomina “banda de valencia” y es donde giran los electrones que en unos casos el átomo puede ser
ceder, como ocurre con los metales y en otros casos puede atraer o captar de la banda de valencia de otros
átomos cercanos. La banda de valencia es el nivel de energía que determina que un cuerpo se comporte como
conductor, aislante o semiconductor.
En el caso de los metales en la última órbita o “banda de valencia” de sus átomos sólo giran entre uno y tres
electrones como máximo, por lo que su tendencia es cederlos cuando los excitamos empleando métodos físicos
o químicos. Las respectivas valencias de trabajo (o números de valencia) de los metales son las siguientes: +1,
+2 y +3.
Esos números con signo positivo (+) delante, corresponden a la cantidad de electrones que pueden ceder los
átomos de los metales, de acuerdo con la cantidad que contiene cada uno en la última órbita.
En general la mayoría de los elementos metálicos poseen conductividad eléctrica, es decir, se comportan como
conductores de la electricidad en mayor o menor medida. Los que poseen un solo electrón (a los que les
corresponde el número de valencia +1, como el cobre), son los que conducen la corriente eléctrica con mayor
facilidad.
En los conductores eléctricos las bandas de energía, formadas
por la banda de conducción y la banda de valencia del
elemento metálico, se superponen facilitando que los electrones
puedan saltar desde la última órbita de un átomo a la de otro de
los que integran también las moléculas del propio metal. Es por
eso que cuando se aplica corriente eléctrica a un circuito
formado por conductores de cobre, por ejemplo, los electrones
fluyen con facilidad por todo el cuerpo metálico del alambre
que integra el cable.
Normalmente las bandas de energías se componen de:
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 1) una banda de valencia.
 2) una banda de conducción y,
 3) otra banda interpuesta entre las dos anteriores denominada “banda prohibida”. La función de esta
última es impedir o dificultar que los electrones salten desde la banda de valencia hasta la banda de
conducción. En el caso de los metales la banda prohíbida no existe, por lo que los electrones en ese
caso necesitan poca energía para saltar de una banda a la otra.
Debido a que en los metales conductores de corriente eléctrica la banda de valencia o última órbita del
átomo pose entre uno y tres electrones solamente (de acuerdo con el tipo de metal de que se trate),
existe una gran cantidad de estados energéticos “vacíos” que permiten excitar los electrones, bien sea
por medio de una reacción química, o una reacción física como la aplicación de calor o la aplicación
de una diferencia de potencial (corriente eléctrica) que ponga en movimiento el flujo electrónico.
En general los metales mejores conductores de electricidad como el cobre, la plata y el oro poseen una
alta densidad de electrones portadores de carga en la banda de valencia, así como una alta ocupación
de niveles de energía en la banda de conducción. Hay que destacar que aunque la plata y el oro son
mucho mejores conductores de la corriente eléctrica que el cobre, la mayoría de los cables se fabrican
con este último metal o con aluminio en menor proporción, por ser ambos metales buenos conductores
de la corriente eléctrica, pero mucho más baratos de producir y comercializar que la plata y el oro.
Bibliografía.
http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor
http://es.scribd.com/doc/53473010/TEORIA-DEL-SEMICONDUCTOR
http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_conductores/ke_conductor_3.htm
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