Una sustancia semiconductora tiene una propiedad eléctrica que se encuentra entre un aislante y un conductor. Si y Ge son los mejores ejemplos de semiconductores. Hay dos tipos de semiconductores: semiconductores intrínsecos y semiconductores extrínsecos (tipo p y tipo n). El tipo intrínseco de semiconductor es puro, pero el tipo extensivo contiene impurezas para hacerlo conductor. A temperatura ambiente, la conductividad intrínseca será nula, pero la conductividad extrínseca será mínima. Con diagramas de bandas de dopaje y energía, este artículo proporciona una descripción general de los semiconductores intrínsecos y extrínsecos.
Semiconductor intrínseco
La definición de un semiconductor intrínseco es un semiconductor que es extremadamente puro. Según la teoría de la banda de energía, la conductividad de este semiconductor será cero a temperatura ambiente. Si y Ge son dos ejemplos de semiconductores intrínsecos.
- La banda de conducción está vacía en el siguiente diagrama de bandas de energía, pero la banda de valencia está completamente llena. Se le puede proporcionar algo de energía térmica una vez que se ha elevado la temperatura. Como resultado de salir de la banda de valencia, los electrones de la banda de valencia pasan a la banda de conducción.
- El flujo de electrones será aleatorio a medida que pasan de la banda de valencia a la de conducción. Los agujeros del cristal también pueden fluir libremente en cualquier dirección.
- Como resultado, el TCR de este semiconductor será negativo (coeficiente de temperatura de resistencia). El TCR indica que cuando la temperatura aumenta, la resistencia del material disminuye y su conductividad aumenta.
Semiconductores extrínsecos
Los semiconductores extrínsecos son semiconductores a los que se les ha introducido una impureza a una tasa regulada para hacerlos conductores.
- Mientras que los materiales aislantes se pueden dopar para convertirlos en semiconductores, los semiconductores intrínsecos también se pueden dopar para hacer un semiconductor extrínseco.
- Los semiconductores extrínsecos se dividen en dos categorías como resultado del dopaje: átomos con un electrón adicional (tipo n para negativo, del grupo V) y átomos con un electrón menos (tipo p para positivo, del grupo III).
- El dopaje es la introducción intencional de impurezas en un semiconductor muy puro o intrínseco para cambiar sus características eléctricas. El tipo de semiconductor determina las impurezas. Los semiconductores extrínsecos son aquellos que están dopados de forma ligera a moderada.
¿Qué es el dopaje?
El dopaje es el proceso de introducir una impureza en un semiconductor. Durante la producción de semiconductores extrínsecos, se debe monitorear cuidadosamente la cantidad y el tipo de impureza que se introducirá en el material. En la mayoría de los casos, se introduce un átomo de impureza por cada 10 8 átomos semiconductores.
La impureza se utiliza para aumentar la cantidad de electrones libres o huecos en un cristal semiconductor, haciéndolo más conductivo. Existirá una cantidad significativa de electrones libres si se introduce una impureza pentavalente con cinco electrones de valencia en un semiconductor puro. Existirá un número significativo de huecos en el semiconductor si se introduce una impureza trivalente con tres electrones de valencia. Los semiconductores extrínsecos se dividen en dos categorías según el tipo de impureza agregada: semiconductores tipo N y tipo P.
Semiconductores tipo n
Los semiconductores de tipo N son semiconductores extrínsecos en los que los átomos dopantes pueden proporcionar electrones de conducción adicionales al material huésped (p. ej., fósforo en silicio).
Como resultado de esto, se produce una sobreabundancia de portadores de carga de electrones negativos (tipo n). Los átomos dopantes a menudo contienen un electrón de valencia adicional que los átomos anfitriones. El reemplazo atómico en sólidos del grupo IV por elementos del grupo V es el caso más típico. Cuando el anfitrión incluye muchos tipos de átomos, el problema se vuelve más complicado. El silicio, por ejemplo, puede actuar como donante cuando reemplaza al galio o como aceptor cuando reemplaza al arsénico en semiconductores III-V como el arseniuro de galio. Algunos donantes tienen menos electrones de valencia que el anfitrión, como los metales alcalinos, que son donantes en la mayoría de los sólidos.
Semiconductores tipo p
Para aumentar la cantidad de portadores de carga libres, se forma un semiconductor de tipo p (p para «positivo») al agregar un cierto tipo de átomo al semiconductor.
La sustancia dopante elimina (acepta) los electrones externos débilmente enlazados de los átomos semiconductores cuando se introduce. La vacante que deja el electrón se conoce como hueco, y este tipo de agente dopante también se conoce como sustancia aceptora. El objetivo del dopaje de tipo p es producir una gran cantidad de agujeros.
En el caso del silicio, la red cristalina se intercambia por un átomo trivalente. Como resultado, a uno de los cuatro enlaces covalentes que normalmente forman la red de silicio le falta un electrón. Como resultado, el átomo dopante puede aceptar un electrón del enlace covalente de un átomo cercano para completar el cuarto enlace. Los aceptores son el nombre dado a estos dopantes debido a esto.
Cuando un átomo dopante toma un electrón, hace que el átomo cercano pierda la mitad de su enlace, lo que da como resultado la creación de un agujero. Cada orificio está conectado a un ion dopante con carga negativa vecino, lo que da como resultado un semiconductor eléctricamente neutro. Una vez que cada agujero se haya extraviado en la red, un protón en el átomo en la posición del agujero quedará «expuesto», lo que significa que ya no será cancelado por un electrón. Este átomo contendrá tres electrones y un hueco en su núcleo, que tendrá cuatro protones.
Como resultado, un hueco se comporta como una carga positiva. Cuando se suministra un número suficientemente grande de átomos aceptores, los electrones excitados térmicamente son sustancialmente superados en número por los huecos. En los materiales de tipo p, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios.
Diferencia entre semiconductores intrínsecos y extrínsecos
Las siguientes son algunas de las distinciones clave entre los semiconductores extrínsecos e intrínsecos:
- Los semiconductores intrínsecos existen en su forma más pura en todo momento, mientras que los semiconductores extrínsecos se crean dopando impurezas en semiconductores puros.
- A temperatura ambiente, los semiconductores intrínsecos tienen una conductividad eléctrica baja, mientras que los semiconductores extrínsecos tienen una conductividad eléctrica alta en comparación con otros materiales.
- El número de electrones es igual al número de agujeros en los semiconductores intrínsecos, mientras que los números son desiguales en los semiconductores extrínsecos.
- Los semiconductores intrínsecos dependen únicamente de la temperatura, mientras que los semiconductores extrínsecos se ven afectados por la temperatura y la cantidad de contaminantes presentes.
- Los semiconductores intrínsecos no se clasifican más, mientras que los semiconductores tipo N y tipo p son dos tipos de semiconductores en Semiconductores extrínsecos.
- El silicio y el germanio son dos ejemplos de semiconductores intrínsecos, mientras que el Si y el Ge dopados con Al, In, P, As y otros elementos son ejemplos de semiconductores extrínsecos.
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: ¿Qué es un semiconductor de tipo n?
Responder:
Cuando un elemento tetravalente como el silicio o el germanio se dopa con un elemento pentavalente como el arsénico (As) o el antimonio, el resultado es un semiconductor de tipo n (Sb). Así, en la red cristalina, un átomo del elemento pentavalente ocupa el lugar de un átomo de los cuatro elementos valentes.
Los cinco electrones del átomo pentavalente establecen fuertes conexiones con sus vecinos tetravalentes, y el quinto electrón crea un enlace débil con su elemento principal una vez que se completa el proceso de dopaje. Se necesita una cantidad relativamente pequeña de energía para ionizar el quinto electrón. Aunque está en la estructura cristalina del elemento tetravalente, el quinto electrón también es libre de moverse incluso a temperatura ambiente.
Pregunta 2: ¿Qué es un semiconductor tipo P?
Responder:
Cuando un elemento tetravalente como el silicio o el germanio se dopa con un elemento trivalente como el aluminio (Al), el indio (In), etc., el resultado es un semiconductor de tipo P. Después del dopaje, tres de los cuatro electrones del elemento tetravalente establecen una conexión covalente con los tres electrones del elemento trivalente. Hay un déficit de un electrón y, como resultado, el cuarto electrón no tiene ningún electrón con el que unirse.
Como resultado, se produce un vacío o hueco, y se hace necesario rellenarlo. Como resultado, un electrón en la órbita exterior de un átomo cercano tiene la posibilidad de saltar y llenar el vacío. De esta manera, se elimina un electrón del sistema, dejando un vacío o un agujero en su lugar. La conducción puede entonces ocurrir a través del agujero.
Pregunta 3: ¿Cuál es el resultado de dopar germanio metálico con una pequeña cantidad de indio?
Responder:
Los semiconductores de tipo P están hechos de impurezas de germanio que incluyen indio. Se pueden agregar impurezas de naturaleza trivalente al germanio para generar el material de tipo P. Se llaman impurezas aceptoras porque son trivalentes.
Pregunta 4: ¿Cuál es el nombre de un cristal semiconductor puro en el que fluye corriente debido a la ruptura de los enlaces del cristal?
Responder:
Los semiconductores intrínsecamente puros se denominan así. La banda de conducción tiene la misma cantidad de electrones que huecos y viceversa. Además de ser denominados semiconductores intrínsecos, los semiconductores no dopados y los semiconductores tipo i son otros nombres para los semiconductores intrínsecos.
Pregunta 5: ¿En cuál de las siguientes situaciones los agujeros constituyen la mayoría de la corriente?
Responder:
La mayor parte de los portadores de carga en los semiconductores extrínsecos de tipo p son agujeros, que son semiconductores amorfos. Se llaman impurezas aceptoras porque son trivalentes. Los portadores de carga minoritarios en los semiconductores de tipo p son los electrones.