Electrones y "huecos"

Los semiconductores puros son aislantes relativamente buenos en comparación con los metales, aunque no tan buenos como un verdadero aislante como el vidrio. Para ser útil en aplicaciones de semiconductores, el semiconductor intrínseco (semiconductor puro sin dopar) no debe tener más de un átomo de impureza en 10 mil millones de átomos semiconductores. Esto es análogo a un grano de impureza de sal en un vagón de ferrocarril de azúcar. Los semiconductores impuros o sucios son considerablemente más conductores, aunque no tan buenos como los metales. ¿Por qué podría ser esto? Para responder a esa pregunta, debemos observar la estructura electrónica de dichos materiales en la Figura siguiente.

Estructura electrónica

La siguiente figura (a) muestra cuatro electrones en la capa de valencia de un semiconductor que forma enlaces covalentes con otros cuatro átomos. Esta es una versión aplanada y más fácil de dibujar de la Figura anterior. Todos los electrones de un átomo están unidos en cuatro enlaces covalentes, pares de electrones compartidos. Los electrones no pueden moverse libremente por la red cristalina. Por lo tanto, los semiconductores intrínsecos y puros son aislantes relativamente buenos en comparación con los metales.

(a) Un semiconductor intrínseco es un aislante que tiene una capa de electrones completa. (b) Sin embargo, la energía térmica puede crear pocos pares de electrones y huecos, lo que da como resultado una conducción débil.

La energía térmica ocasionalmente puede liberar un electrón de la red cristalina como en la Figura anterior (b). Este electrón está libre para la conducción por la red cristalina. Cuando se liberó el electrón, dejó un lugar vacío con una carga positiva en la red cristalina conocida como agujero . Este agujero no se fija a la celosía; pero es libre de moverse. El electrón libre y el hueco contribuyen a la conducción alrededor de la red cristalina. Es decir, el electrón queda libre hasta que cae en un agujero. Esto se llama recombinación . Si se aplica un campo eléctrico externo al semiconductor, los electrones y los huecos se conducirán en direcciones opuestas. El aumento de temperatura aumentará el número de electrones y huecos, disminuyendo la resistencia. Esto es opuesto a los metales, donde la resistencia aumenta con la temperatura al aumentar las colisiones de electrones con la red cristalina. El número de electrones y huecos en un semiconductor intrínseco es igual. Sin embargo, ambos portadores no necesariamente se mueven con la misma velocidad con la aplicación de un campo externo. Otra forma de decir esto es que movilidad no es lo mismo para electrones y huecos.

Impurezas de semiconductores

Los semiconductores puros, por sí mismos, no son particularmente útiles. Sin embargo, los semiconductores deben refinarse a un alto nivel de pureza como punto de partida antes de la adición de impurezas específicas.

El material semiconductor puro a 1 parte en 10 mil millones, puede tener impurezas específicas agregadas a aproximadamente 1 parte por 10 millones para aumentar el número de portadores. La adición de la impureza deseada a un semiconductor se conoce como dopaje . El dopaje aumenta la conductividad de un semiconductor para que sea más comparable al metal que a un aislante.

Es posible aumentar el número de portadores de carga negativa dentro de la red cristalina semiconductora dopando con un donante de electrones. como el fósforo. Donantes de electrones, también conocidos como tipo N los dopantes incluyen elementos del grupo VA de la tabla periódica:nitrógeno, fósforo, arsénico y antimonio. El nitrógeno y el fósforo son dopantes de tipo N para el diamante. El fósforo, el arsénico y el antimonio se utilizan con el silicio.

La red cristalina en la Figura siguiente (b) contiene átomos que tienen cuatro electrones en la capa exterior, formando cuatro enlaces covalentes a los átomos adyacentes. Esta es la red cristalina anticipada. La adición de un átomo de fósforo con cinco electrones en la capa exterior introduce un electrón extra en la red en comparación con el átomo de silicio. La impureza pentavalente forma cuatro enlaces covalentes a cuatro átomos de silicio con cuatro de los cinco electrones, encajando en la red con un electrón sobrante. Tenga en cuenta que este electrón de repuesto no está fuertemente unido a la red como lo están los electrones de los átomos de Si normales. Es libre de moverse por la red cristalina, sin estar ligado al sitio de la red Phosphorus. Dado que hemos dopado con una parte de fósforo en 10 millones de átomos de silicio, se crearon pocos electrones libres en comparación con los numerosos átomos de silicio. Sin embargo, se crearon muchos electrones en comparación con los pocos pares de agujeros de electrones en el silicio intrínseco. La aplicación de un campo eléctrico externo produce una fuerte conducción en el semiconductor dopado en la banda de conducción (por encima de la banda de valencia). Un nivel de dopaje más alto produce una conducción más fuerte. Por lo tanto, un semiconductor intrínseco de mala conducción se ha convertido en un buen conductor eléctrico.

(a) La configuración electrónica de la capa externa del fósforo tipo N donante, silicio (como referencia) y boro tipo P aceptor. (b) La impureza del donante de tipo N crea un electrón libre (c) La impureza del aceptor de tipo P crea el agujero, un portador de carga positiva.

También es posible introducir una impureza que carece de un electrón en comparación con el silicio, que tiene tres electrones en la capa de valencia en comparación con cuatro para el silicio. En la Figura anterior (c), esto deja un espacio vacío conocido como agujero , un portador de carga positiva. El átomo de boro intenta unirse a cuatro átomos de silicio, pero solo tiene tres electrones en la banda de valencia. Al intentar formar cuatro enlaces covalentes, los tres electrones se mueven tratando de formar cuatro enlaces. Esto hace que el agujero parezca moverse. Además, el átomo trivalente puede tomar prestado un electrón de un átomo de silicio adyacente (o más distante) para formar cuatro enlaces covalentes. Sin embargo, esto deja al átomo de silicio deficiente en un electrón. En otras palabras, el agujero se ha movido a un átomo de silicio adyacente (o más distante). Los agujeros residen en la banda de valencia, un nivel por debajo de la banda de conducción. Dopaje con un aceptor de electrones , un átomo que puede aceptar un electrón, crea una deficiencia de electrones, lo mismo que un exceso de huecos. Dado que los huecos son portadores de carga positiva, un dopante aceptor de electrones también se conoce como tipo P dopante. El dopante tipo P deja el semiconductor con un exceso de agujeros, portadores de carga positiva. Los elementos de tipo P del grupo IIIA de la tabla periódica incluyen boro, aluminio, galio e indio. El boro se usa como un dopante tipo P para semiconductores de silicio y diamante, mientras que el indio se usa con germanio.

La analogía de la “canica en un tubo” con la conducción de electrones en la Figura siguiente relaciona el movimiento de los agujeros con el movimiento de los electrones. La canica representa electrones en un conductor, el tubo. El movimiento de los electrones de izquierda a derecha como en un cable o semiconductor de tipo N se explica por un electrón que entra en el tubo de la izquierda y fuerza la salida de un electrón de la derecha. La conducción de electrones de tipo N se produce en la banda de conducción. Compare eso con el movimiento de un agujero en la banda de valencia.

Analogía de mármol en un tubo:(a) Los electrones se mueven hacia la derecha en la banda de conducción cuando los electrones entran en el tubo. (b) El agujero se mueve hacia la derecha en la banda de valencia a medida que los electrones se mueven hacia la izquierda.

Para que entre un agujero a la izquierda de la Figura anterior (b), se debe eliminar un electrón. Al mover un agujero de izquierda a derecha, el electrón debe moverse de derecha a izquierda. El primer electrón se expulsa del extremo izquierdo del tubo para que el orificio se mueva hacia la derecha hacia el interior del tubo. El electrón se mueve en la dirección opuesta al agujero positivo. A medida que el agujero se mueve más hacia la derecha, los electrones deben moverse hacia la izquierda para acomodar el agujero. El agujero en ausencia de un electrón en la banda de valencia debido al dopaje tipo P. Tiene carga positiva localizada. Para mover el agujero en una dirección dada, los electrones de valencia se mueven en la dirección opuesta.

El flujo de electrones en un semiconductor tipo N es similar al movimiento de electrones en un cable metálico. Los átomos dopantes de tipo N producirán electrones disponibles para la conducción. Estos electrones, debido al dopante, se conocen como portadores mayoritarios , porque son la mayoría en comparación con los poquísimos agujeros térmicos. Si se aplica un campo eléctrico a través de la barra semiconductora tipo N en la Figura siguiente (a), los electrones ingresan al extremo negativo (izquierdo) de la barra, atraviesan la red de cristal y salen por la derecha al terminal (+) de la batería.

(a) Un semiconductor de tipo n con electrones que se mueven de izquierda a derecha a través de la red cristalina. (b) Un semiconductor de tipo p con agujeros que se mueven de izquierda a derecha, lo que corresponde a electrones que se mueven en la dirección opuesta.

El flujo de corriente en un semiconductor tipo P es un poco más difícil de explicar. El dopante de tipo P, un aceptor de electrones, produce regiones localizadas de carga positiva conocidas como huecos. El portador mayoritario en un semiconductor tipo P es el agujero. Si bien los agujeros se forman en los sitios del átomo dopante trivalente, pueden moverse alrededor de la barra semiconductora. Tenga en cuenta que la batería en la Figura anterior (b) está invertida de (a). El terminal positivo de la batería está conectado al extremo izquierdo de la barra tipo P. El flujo de electrones sale del terminal negativo de la batería, a través de la barra tipo P, y regresa al terminal positivo de la batería. Un electrón que sale del extremo positivo (izquierdo) de la barra de semiconductores para el terminal positivo de la batería deja un agujero en el semiconductor, que puede moverse hacia la derecha. Los agujeros atraviesan la red de cristal de izquierda a derecha. En el extremo negativo de la barra, un electrón de la batería se combina con un agujero, neutralizándolo. Esto deja espacio para que se mueva otro agujero en el extremo positivo de la barra hacia la derecha. Tenga en cuenta que a medida que los agujeros se mueven de izquierda a derecha, en realidad son los electrones que se mueven en la dirección opuesta los responsables del aparente movimiento del agujero.

Elementos utilizados para producir semiconductores

Los elementos utilizados para producir semiconductores se resumen en la Figura siguiente. El germanio, el material semiconductor a granel a granel más antiguo del grupo IVA, solo se utiliza de forma limitada en la actualidad. Los semiconductores a base de silicio representan aproximadamente el 90% de la producción comercial de todos los semiconductores. Los semiconductores basados ​​en diamantes son una actividad de investigación y desarrollo con un potencial considerable en este momento. Los semiconductores compuestos no enumerados incluyen germanio de silicio (capas delgadas en obleas de Si), carburo de silicio y compuestos III-V como arseniuro de galio. Los semiconductores compuestos III-VI incluyen AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al _x Ga _1-x Como y en _x Ga _1-x Como. Las columnas II y VI de la tabla periódica, que no se muestran en la figura, también forman semiconductores compuestos.

Dopantes de tipo P del grupo IIIA, materiales semiconductores básicos del grupo IV y dopantes de tipo N del grupo VA.

La razón principal para la inclusión de los grupos IIIA y VA en la Figura anterior es mostrar los dopantes utilizados con los semiconductores del grupo IVA. Los elementos del grupo IIIA son aceptores, dopantes de tipo P, que aceptan electrones que dejan un agujero en la red cristalina, un portador positivo. El boro es el dopante de tipo P para el diamante y el dopante más común para los semiconductores de silicio. El indio es el dopante de tipo P para el germanio.

Los elementos del grupo VA son donantes, dopantes de tipo N, que producen un electrón libre. El nitrógeno y el fósforo son dopantes de tipo N adecuados para el diamante. El fósforo y el arsénico son los dopantes de tipo N más utilizados para el silicio; sin embargo, se puede usar antimonio.

REVISAR:

• Los materiales semiconductores intrínsecos, puros hasta 1 parte en 10 mil millones, son malos conductores.
• Un semiconductor de tipo N está dopado con una impureza pentavalente para crear electrones libres. Dicho material es conductor. El electrón es el portador mayoritario.
• El semiconductor de tipo P, dopado con una impureza trivalente, tiene abundantes agujeros libres. Estos son portadores de carga positiva. El material tipo P es conductor. El hoyo es el portador mayoritario.
• La mayoría de los semiconductores se basan en elementos del grupo IVA de la tabla periódica, el silicio es el más frecuente. El germanio es casi obsoleto. Se está desarrollando carbono (diamante).
• Los semiconductores compuestos como el carburo de silicio (grupo IVA) y el arseniuro de galio (grupo III-V) se utilizan ampliamente.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de conducción eléctrica en semiconductores