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Un semiconductor es un material que tiene propiedades conductoras y aislantes . Dependiendo de las condiciones en las que se encuentre así como de las impurezas en él, pueden predominar las propiedades de conductor o aislante.
Los semiconductores se definen por su singular comportamiento de conducción eléctrica, a medio camino entre el de un conductor y el de un aislante.
Este material se comporta o bien como un conductor o bien como un aislante dependiendo de diversos factores, por ejemplo: el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.
El tamaño que caracteriza a los materiales semiconductores es la brecha de energía. La brecha de energía es la diferencia entre los niveles de valencia y conducción de los átomos que componen el material semiconductor y representa la energía requerida para que el electrón pase del nivel de valencia al nivel de conducción, es decir. dejar el átomo. La unidad utilizada en la práctica para caracterizar la brecha de energía es el electronvoltio (eV). Los materiales semiconductores tienen un intervalo de energía de varios electronvoltios a varias decenas de electronvoltios.
A bajas temperaturas, los electrones en el nivel de valencia no tienen suficiente energía para superar la brecha de energía, por lo que todos están unidos a los átomos, por lo que un semiconductor puro actúa como aislante. Sin embargo, ya a temperatura ambiente, una parte del electrón en el nivel de valencia tiene suficiente energía para superar la brecha de energía y pasar al nivel conductor, es decir. dejar el átomo padre . Cuando un electrón sale de un átomo, queda un lugar vacío en su lugar, al que llamamos cavidad, y todo el átomo representa un ion positivo . De esta forma, llegamos a la noción de portador de carga en un semiconductor. Es decir, en el caso de los conductores, los portadores de carga son electrones libres. Sin embargo, aunque en un sentido puramente físico, lo mismo ocurre con los semiconductores, para facilitar la explicación de los procesos que tienen lugar en el interior de los semiconductores, también introducimos cavidades como portadores de carga que junto con los electrones participan en la conducción de la electricidad .
Los electrones son, como se conoce, cargas negativas, por lo que los llamamos portadores de carga negativa, mientras que las cavidades son los lugares donde realmente se encuentra el ion positivo, por lo que los llamamos portadores de carga positiva. Denotaremos la concentración de portadores positivos con la letra latina p y la concentración de portadores negativos con la letra latina n . En un semiconductor puro, cada electrón libre deja una cavidad detrás, de modo que en semiconductores puros p = n la concentración de electrones libres es igual a la concentración de las cavidades. Los semiconductores puros son solo el punto de partida en la fabricación de componentes electrónicos.
Las impurezas (impurezas) se agregan a los semiconductores puros para obtener semiconductores de tipo p o n. El proceso en el que se agregan impurezas a un semiconductor puro se llama dopaje .
Los semiconductores intrínsecos y extrínsecos
Un semiconductor intrínseco es un semiconductor que es lo suficientemente limpio como para que las impurezas restantes afecten ligeramente las propiedades eléctricas. En este caso, todos los portadores se crean por excitación térmica u óptica de electrones desde la banda de valencia llena hasta la banda de conducción vacía. Un número igual de electrones y cavidades está presente en un semiconductor intrínseco. En un campo eléctrico, los electrones y las cavidades fluyen en direcciones opuestas, aunque contribuyen a la corriente en la misma dirección ya que tienen carga opuesta. En un semiconductor intrínseco, la corriente de cavidades y la corriente de electrones no son necesariamente iguales, porque los electrones y las cavidades tienen diferentes masas efectivas (en los cristales, una analogía con las masas inerciales libres).
La concentración de portador en un semiconductor intrínseco depende en gran medida de la temperatura. A bajas temperaturas, la banda de valencia se llena completamente, lo que hace que el material sea un aislante . Un aumento de temperatura conduce a un aumento en el número de portadores, que se acompaña de un aumento de la conductividad. Esta propiedad se utiliza en termistores . Este comportamiento está en marcado contraste con la mayoría de los metales, que tienen cada vez menos conductividad a temperaturas crecientes hasta la temperatura de dispersión (en la que el metal se convierte en plasma).
Un semiconductor extrínseco es un semiconductor que está dopado con impurezas para modificar el número y tipo de portadores de carga gratuita presentes.
Un semiconductor que está dopado con cantidades muy grandes de impurezas, con el nivel de impurezas que representa una porción significativa de los átomos de los semiconductores, se llama degeneración . Un semiconductor degenerado se comporta de manera similar a un conductor, en lugar de a un semiconductor.
Bandas de valencia de semiconductores
Los cinturones de valencia semiconductores muestran una banda de valencia completamente llena y una banda de conducción vacía. El nivel de Fermi se encuentra dentro de la banda prohibida.
En el lenguaje de la física de los semiconductores, los semiconductores (y aislantes) se definen como cuerpos en los que en el cero absoluto (0 K ), la banda superior está ocupada por estados de energía electrónica, la banda se conoce como banda de valencia y está completamente llena. En las condiciones del cero absoluto, la energía de Fermi, o el nivel de Fermi, se puede imaginar como la energía hasta la cual todos los estados permitidos de los electrones están ocupados.
A temperatura ambiente, hay una cierta mancha en la distribución de energía de los electrones, un número muy pequeño pero no despreciable de electrones tiene suficiente energía para cruzar la banda prohibida y entrar en la banda de conducción. Los electrones que tienen suficiente energía para estar en la banda de conducción son liberados por enlaces covalentes entre átomos adyacentes dentro del cuerpo, y pueden moverse libremente dentro del cuerpo del material y también conducir carga. Los enlaces covalentes de los que provienen estos electrones excitados ahora carecen de electrones, o cavidades que también pueden moverse. (Como tal, la cavidad en realidad no se mueve, pero el electrón adyacente puede moverse para llenar la cavidad, dejando una cavidad libre donde se movió, dando así la impresión de que las cavidades se están moviendo).
Una diferencia importante entre un conductor y un semiconductor es que, en un semiconductor, el movimiento de la carga ( corriente ) está habilitado por el movimiento tanto de electrones como de cavidades. Por el contrario, en el caso de los conductores, el nivel de Fermi se encuentra entre la banda conductora, de modo que dicha banda solo está llena hasta la mitad de electrones. En ese caso, los electrones solo necesitan una pequeña cantidad de energía para encontrar otro estado desocupado en el que moverse, de hecho para crear un flujo de corriente.
La facilidad con la que los electrones en un semiconductor se pueden mover desde la valencia a la banda de conducción depende de la distancia entre estas bandas, y es la cantidad de energía entre las bandas de conducción y valencia la que sirve como un límite arbitrario que separa los semiconductores de los aislantes. Los materiales que tienen una energía de banda prohibida (banda entre la banda de valencia y la banda de conducción) por debajo de aproximadamente 3 electronvoltios (eV) generalmente se consideran semiconductores, mientras que aquellos con energías de banda de banda más altas se consideran aislantes.
Los electrones que son portadores de carga en la banda de conducción se conocen como electrones libres , aunque a menudo se les llama simplemente electrones si el contexto permite un uso tan claro. Las cavidades en la banda de valencia se comportan de manera muy similar a las copias de electrones cargadas positivamente, y generalmente se tratan como partículas realmente cargadas.
Elementos Usados
El elemento semiconductor más utilizado es:
Silicio,
Germanio,
combinaciones de elementos de los grupos 12 y 13 con los de los grupos 16 y 15 respectivamente (Ga As, P In, As Ga Al, Te Cd, Se Cd y S Cd).
Posteriormente el Azufre.
La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².
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