¿Qué es un semiconductor extrínseco?
Los semiconductores son materiales que se pueden comportar como conductores o como aislantes en función de diversos factores, como campo eléctrico, campo magnético, radiación, presión o temperatura. Existen dos tipos, los semiconductores intrínsecos y los semiconductores extrínsencos. Los semiconductores extrínsecos se obtienen a partir de los intrínsecos y son imprescindibles en la industria electrónica.
Los semiconductores
Los elementos que se comportan como semiconductores son los siguientes:
Los semiconductores
Los elementos que se comportan como semiconductores son los siguientes:
Cadmio (Cd)
Aluminio (Al)
Galio (Ga)
Boro (B)
Indio (In)
Silicio (Si)
Carbono (C)
Germanio (Ge)
Fósforo (P)
Arsénico (As)
Antimonio (Sb)
Selenio (Se)
Teluro (Te)
Asufre (S)
El más utilizado es el Silicio, seguido del germanio y, menos, el azufre. Los cristales puros de estos elementos se consideran semiconductores intrínsecos y en ellos se genera una corriente eléctrica doble cuándo se someten a un diferencial eléctrico.
En la estructura cristalina, los átomos se encuentran unidos entre sí mediante enlaces covalentes en la conocida como banda de valencia. En determinadas circunstancias, algunos de los electrones pueden absorber la energía necesaria para escapar de la banda de valencia y pasar a la llamada banda de conducción. En la siguiente imagen se esquematiza esta situación en el Silicio (tetravalente, cada átomo se une a otros cuatro):
Aluminio (Al)
Galio (Ga)
Boro (B)
Indio (In)
Silicio (Si)
Carbono (C)
Germanio (Ge)
Fósforo (P)
Arsénico (As)
Antimonio (Sb)
Selenio (Se)
Teluro (Te)
Asufre (S)
El más utilizado es el Silicio, seguido del germanio y, menos, el azufre. Los cristales puros de estos elementos se consideran semiconductores intrínsecos y en ellos se genera una corriente eléctrica doble cuándo se someten a un diferencial eléctrico.
En la estructura cristalina, los átomos se encuentran unidos entre sí mediante enlaces covalentes en la conocida como banda de valencia. En determinadas circunstancias, algunos de los electrones pueden absorber la energía necesaria para escapar de la banda de valencia y pasar a la llamada banda de conducción. En la siguiente imagen se esquematiza esta situación en el Silicio (tetravalente, cada átomo se une a otros cuatro):
Esquema de semiconductor intrínseco
Los electrones que salen dejan un hueco de electrón en la banda de valencia, lo que favorece la conducción eléctrica. Los electrones libres también favorecen la conducción eléctrica y ambos, electrones y huecos, se denominan portadores. La energía para que esto ocurra es diferente en cada material. El Si a temperatura ambiente requiere un diferencial eléctrico de 1,12 eV. Esta misma energía es liberada en el proceso de recombinación, que es el proceso contrario, cuándo un electrón cae desde la banda de conducción a la banda de valencia.
Si se mantiene la temperatura constante, llega un momento en el que la recombinación y salida de electrones se iguala y la concentración de electrones en la banda de conducción (cargas negativas – n) se iguala a la concentración de huecos en la banda de valencia (cargas positivas – p).
En un semiconductor intrínseco se generan dos corrientes eléctricas: una por el movimiento de electrones en la banda de conducción y otra por movimientos de electrones en la banda de valencia que pueden saltar a los huecos próximos. La corriente en la banda de valencia es contraria al campo eléctrico y de intensidad mucho más baja que la corriente en la banda de conducción.
Semiconductores extrínsecos
Los semiconductores extrínsecos se obtienen mediante un proceso conocido como dopaje y que consiste en la introducción de impurezas (dopantes) de forma controlada en semiconductores intrínsecos. En función del dopante utilizado se puede obtener semiconductores tipo P (positivos) o semiconductores tipo N (negativos)
Semiconductores extrínsecos tipo N
Los semiconductores extrínsecos tipo N son aquellos obtenidos por la adición de dopantes con más valencias que el semiconductor intrínseco de partida. En el caso del silicio, que es tetravalente se utilizan dopantes pentavalentes, por ejemplo fósforo. En cada átomo de fósforo quedará un electrón sin formar enlace. Este electrón puede saltar a la banda de conducción pero no deja ningún hueco, por lo que se dice que estos dopantes son donadores de electrones y quedarán más cargas negativas (electrones) en la banda de conducción que positivas (huecos) en la banda de valencia.
La conductividad del material aumenta enormemente, hasta 24100 añadiendo tan sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio. En la siguiente imagen podemos ver un esquema de este tipo de semiconductores:
Esquema de un semiconductor extrinseco tipo N
Semiconductores extrínsecos tipo P
En los que semiconductores extrínsecos tipo P la situación es la contraria que en los tipo N. Se utilizan elementos con menos valencias que los semiconductores intrínsecos de partida. En el caso del Silicio se utilizan dopantes trivalentes, por ejemplo Boro. Se dice que estos dopantes son aceptores de electrones, pues quedan huecos en la banda de valencia dónde pueden saltar electrones que absorban energía en lugar de hacerlo a la banda de conducción. Se genera un balance neto de cargas positivas (huecos) en la banda de valencia superior a las cargas negativas (electrones) en la banda de conducción.
Esquema de un semiconductor extrinseco tipo P
Aplicaciones
Los semiconductores tienen una infinidad de usos y aplicaciones, por ejemplo, son imprescindibles en la fabricación de diodos (entre ellos los LED), dispositivos electrónicos o paneles solares. Algunos de los semiconductores más utilizados son:
Termistores: la conductividad depende de la temperatura
Transductores de presión: la aplicación de presión a este tipo de semiconductor provoca que el gap de energía entre banda de conducción y valencia se estreche y aumente la conductividad.
Rectificadores (dispositivos de unión del tipo p-n): se unen semiconductores tipo n y p (unión p-n) y al hacerlo los electrones se concentran en la unión del tipo n y los huecos en la unión p, este desequilibrio electrónico crea un voltaje en la unión que se utiliza como rectificador.
Transistores de unión bipolar: estos transistores se utilizan generalmente en los CPU (unidades de procesamiento central) de ordenadores por la eficiencia en dar una respuesta rápida a la conmutación.
Transistores de efecto de campo: son utilizados frecuentemente para almacenar información en la memoria de los ordenadores.
Los electrones que salen dejan un hueco de electrón en la banda de valencia, lo que favorece la conducción eléctrica. Los electrones libres también favorecen la conducción eléctrica y ambos, electrones y huecos, se denominan portadores. La energía para que esto ocurra es diferente en cada material. El Si a temperatura ambiente requiere un diferencial eléctrico de 1,12 eV. Esta misma energía es liberada en el proceso de recombinación, que es el proceso contrario, cuándo un electrón cae desde la banda de conducción a la banda de valencia.
Si se mantiene la temperatura constante, llega un momento en el que la recombinación y salida de electrones se iguala y la concentración de electrones en la banda de conducción (cargas negativas – n) se iguala a la concentración de huecos en la banda de valencia (cargas positivas – p).
En un semiconductor intrínseco se generan dos corrientes eléctricas: una por el movimiento de electrones en la banda de conducción y otra por movimientos de electrones en la banda de valencia que pueden saltar a los huecos próximos. La corriente en la banda de valencia es contraria al campo eléctrico y de intensidad mucho más baja que la corriente en la banda de conducción.
Semiconductores extrínsecos
Los semiconductores extrínsecos se obtienen mediante un proceso conocido como dopaje y que consiste en la introducción de impurezas (dopantes) de forma controlada en semiconductores intrínsecos. En función del dopante utilizado se puede obtener semiconductores tipo P (positivos) o semiconductores tipo N (negativos)
Semiconductores extrínsecos tipo N
Los semiconductores extrínsecos tipo N son aquellos obtenidos por la adición de dopantes con más valencias que el semiconductor intrínseco de partida. En el caso del silicio, que es tetravalente se utilizan dopantes pentavalentes, por ejemplo fósforo. En cada átomo de fósforo quedará un electrón sin formar enlace. Este electrón puede saltar a la banda de conducción pero no deja ningún hueco, por lo que se dice que estos dopantes son donadores de electrones y quedarán más cargas negativas (electrones) en la banda de conducción que positivas (huecos) en la banda de valencia.
La conductividad del material aumenta enormemente, hasta 24100 añadiendo tan sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio. En la siguiente imagen podemos ver un esquema de este tipo de semiconductores:
Esquema de un semiconductor extrinseco tipo NSemiconductores extrínsecos tipo P
En los que semiconductores extrínsecos tipo P la situación es la contraria que en los tipo N. Se utilizan elementos con menos valencias que los semiconductores intrínsecos de partida. En el caso del Silicio se utilizan dopantes trivalentes, por ejemplo Boro. Se dice que estos dopantes son aceptores de electrones, pues quedan huecos en la banda de valencia dónde pueden saltar electrones que absorban energía en lugar de hacerlo a la banda de conducción. Se genera un balance neto de cargas positivas (huecos) en la banda de valencia superior a las cargas negativas (electrones) en la banda de conducción.
Esquema de un semiconductor extrinseco tipo PAplicaciones
Los semiconductores tienen una infinidad de usos y aplicaciones, por ejemplo, son imprescindibles en la fabricación de diodos (entre ellos los LED), dispositivos electrónicos o paneles solares. Algunos de los semiconductores más utilizados son:
Termistores: la conductividad depende de la temperatura
Transductores de presión: la aplicación de presión a este tipo de semiconductor provoca que el gap de energía entre banda de conducción y valencia se estreche y aumente la conductividad.
Rectificadores (dispositivos de unión del tipo p-n): se unen semiconductores tipo n y p (unión p-n) y al hacerlo los electrones se concentran en la unión del tipo n y los huecos en la unión p, este desequilibrio electrónico crea un voltaje en la unión que se utiliza como rectificador.
Transistores de unión bipolar: estos transistores se utilizan generalmente en los CPU (unidades de procesamiento central) de ordenadores por la eficiencia en dar una respuesta rápida a la conmutación.
Transistores de efecto de campo: son utilizados frecuentemente para almacenar información en la memoria de los ordenadores.
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