1. SEMICONDUCTORES
El silicio y el germanio son los únicos elementos que tienen aplicaciones
prácticas como semiconductores. Sin embargo, gran variedad de compuestos
cerámicos e intermetálicos presentan este mismo efecto.
Para facilitar su estudio, los derivados del silicio y el germanio se dividen en
semiconductores intrínsecos y extrínsecos.
Los semiconductores intrínsecos se caracterizan por que su brecha de energía Eg
entre las bandas de valencia y conducción es pequeña, y en consecuencia,
algunos electrones poseen suficiente energía térmica como para saltar la brecha,
entrando en la banda de conducción. Los electrones excitados dejan atrás niveles
de energía desocupados, o huecos, en la banda de valencia. Cuando un electrón
se mueve para llenar un hueco, se crea otro en la fuente original de este segundo
electrón, de forma que los espacios vacío parecen actuar como "electrones" de
carga positiva y portadores de carga eléctrica.. Cuando se aplica un voltaje
eléctrico al material, los electrones de la banda de conducción se aceleran hacia la
terminal positiva., en tanto que los huecos de la banda de valencia se mueven
hacia a terminal negativa., Por lo tanto se conduce la corriente mediante el
movimiento de electrones y de huecos.
La conductividad queda determinada por el número de pares electrón hueco.
s = neqm e + nhqm h
donde ne es el número de electrones en la banda de conducción, nh es el número
de huecos en la banda de valencia y m e y m h son las movilidades de electrones
y de huecos. En el caso de los conductores intrínsecos:
n = ne = nh
Por tanto, la conductividad es:
s = neq(m e + m h )
Al controlar la temperatura, se controla el número de portadores de carga por lo
mismo, la conductividad eléctrica. En el cero absoluto, todos los electrones están
en la banda de valencia, así que todos los niveles de la banda de conducción se
hallan desocupados.
Conforme aumenta la temperatura, hay mayores probabilidades de que se ocupe
un nivel de energía en la banda de conducción, de forma que existen idénticas
probabilidades de que se desocupe un nivel en la banda de valencia. El número
de electrones en la banda de conducción, que es igual al número de huecos en la
banda de valencia, está dado por:
2. n = ne = nh = no exp - Eg/2kT)
donde no se puede considerar como constante, aunque de hecho también
depende de la temperatura. Temperaturas más elevadas permiten que más
electrones crucen la zona prohibida y, por tanto se incrementa la conductividad:
s = neq(m e + m h ) exp - (Eg/2kT)
El comportamiento del semiconductor es opuesto al de los metales, ya que
conforme aumenta la temperatura se incrementa la conductividad, por que están
presentes más portadores de carga., en tanto que en el metal la conductividad se
reduce, debido a la menor movilidad de sus portadores de carga.
Si se retira la fuente de energía o voltaje de excitación, se vuelven a combinar los
huecos y los electrones después de cierto periodo de tiempo. El número de
electrones en la banda de conducción se reduce con una rapidez dada por:
n = no exp - (t/t)
donde t es el tiempo después de haber eliminado el campo, no es una constante y
t es una constante conocida como tiempo de recombinación.
En vista de que pequeñas variaciones de temperatura pueden afectar el
comportamiento de un semiconductor intrínseco, se puede agregar una pequeña
cantidad de impurezas (dopado), para producir un semiconductor extrínseco. La
conductividad de este semiconductor dependerá principalmente del número de
átomos de impureza (dopantes), y en un rango especifico de temperatura incluso
ser independiente de esta.
- Semiconductores tipo n. Supongamos que agregamos un átomo de antimonio
como impureza al silicio o al germanio. Cuatro de los electrones de valencia del
átomo de antimonio participan en el proceso de enlaces covalentes, en tanto que
un electrón adicional entra en un nivel de energía en estado de donación., justo
por debajo de la banda de conducción. Dado que este electrón no esta
fuertemente unido a los átomos, solamente requiere un pequeño aumento de
energía Ed para que el electrón pase a la banda de conducción. (Ed a menudo se
define como la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de
valencia y la banda de donadores. En este caso, el incremento de energía
requerido seríaEg - Ed × ). La brecha de energía que controla la conductividad
pasa a ser Ed en vez de Eg. Cuando los electrones de donación entran en la
banda de conducción, no se crean huecos correspondientes a cada uno de ellos.
Una pequeña cantidad de semiconducción intrínseca sigue ocurriendo, con
algunos electrones que adquirieron la energía suficiente como para saltar el
espacio Eg. El número total de portadores de carga es :
3. ntotal = ne(dopante) + ne(intrínseca) + nh(intrínseca)
Conforme aumenta la temperatura, más electrones de donación saltan el espacio
Ed hasta que, finalmente todos los electrones de donación están en la banda de
conducción. Esto significa un agotamiento de donadores. La conductividad es casi
constante; no hay disponibles más electrones de donación y la temperatura sigue
siendo demasiado baja para producir muchos electrones y huecos intrínsecos,
sobre todo si Eg es grande.
- Semiconductores tipo p Cuando a un semiconductor se le agrega una impureza
como el galio, que tiene una valencia de tres, no existen suficientes electrones
para completar el enlace covalente. Entonces se crea un hueco en la banda de
valencia, que puede llenarse con electrones de otras posiciones de la banda. Los
hueco actúan como aceptantes de electrones. Este sitio con huecos tiene una
energía algo mayor que la normal y crea un nivel aceptante de energía de
electrones, justo por encima de la banda de valencia. Un electrón debe ganar un
nivel de energía de solo Ea a fin de crear un hueco en la banda de valencia. El
hueco se mueve portando la carga. Finalmente la temperatura subirá lo suficiente
como para causar la saturación de aceptantes.
Los compuestos semiconductores (no derivados del silicio o el germanio), pueden
ser:
- Semiconductores estequiométricos, que son por lo general compuestos
intermetálicos, que tienes estructuras cristalinas y de banda semejantes a las del
silicio y el germanio.
- Semiconductores Imperfectos o no estequiométricos son compuestos iónicos que
contienen exceso de iones, sean estos negativos (aniones) produciendo un
semiconductor tipo p; o positivos (cationes) obteniendo un tipo n
Comportamiento óptico.
En los semiconductores, la brecha de energía es menor que la de los aislantes,
particularmente en los semiconductores extrínsecos, que contienen niveles
donantes y aceptantes de energía. En los semiconductores intrínsecos, habrá
absorción si la energía del fotón excede la brecha Eg; mientras que los fotones de
menor potencia serán transmitidos. Así, los semiconductores son opacos a
radiaciones de longitudes de onda corta, pero transparentes a longitudes de onda
larga. Por ejemplo, el silicio y el germanio aparecen opacos a la luz visible para el
ojo humano, pero son transparentes a radiaciones infrarrojas de longitudes de
onda mayores.
Un fenómeno característico de los semiconductores es la fotoconducción, que
ocurre si el material es parte de un circuito eléctrico. En este caso, los electrones
estimulados producen una corriente en vez de una emisión. Si la energía de un
fotón incidente es suficiente, se excitará un electrón y pasar` a la banda de
4. conducción, o se creará un hueco en la banda de valencia, y el electrón o el hueco
transportarán una carga a través del circuito. La longitud de onda máxima del fotón
incidente requerido para que exista fotoconducción está relacionada con la brecha
de energía del material semiconductor.
l máx = (hc)/Eg
Podemos decir que la fotoconducción es lo inverso a la luminiscencia y a los LED,
por que aquí, los fotones producen un voltaje y una corriente, en tanto que en un
LED el voltaje produce fotones y luz.
