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UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA
Facultad de Tecnología Informática
Materia: Electromagnetismo Estado Sólido II
Alumno: - Di Paolo Diego
Sede: Castelar
Comisión: 5º
Profesor: Vallhonrat, Carlos
Turno: Noche
Año: 2017
GUÍA: Semiconductores
1] Los semiconductores forman un grupo de materiales que presenta un comportamiento intermedio
entre los conductores y los aislantes. (...) los semiconductores en estado puro y a temperaturas bajas
presentan una conductividad relativamente baja por lo que sus propiedades se asemejan a la de los
aislantes. Sin embargo, la conductividad de estos materiales es una función creciente con la temperatura
de forma que a la temperatura ambiente la mayoría de los semiconductores presentan una
conductividad apreciable, aunque siempre es menor que la de un metal.
Incluso a una temperatura dada, es posible variar a voluntad la conductividad de estos materiales si se
les añade una cantidad controlada de impurezas (...). Es precisamente esta característica la que ha
permitido desarrollar una gran variedad de componentes y dispositivos electrónicos basados en los
materiales semiconductores.(Albella, Martínez-Duart.
Fundamentos de electrónica física y microelectrónica. Addison Wesley. Madrid 1996)
1.1 Analice el párrafo en bastardilla. Amplíe la descripción de las características de los semiconductores
en relación a los aislantes y los metales. Explique a que se deben las diferencias de comportamiento,
frente a la temperatura, entre metales y semiconductores.
Los semiconductores conforme aumenta la temperatura se incrementa la capacidad de
conductividad, esto se debe a que están presentes más portadores de carga. En los metales la
conductividad se reduce debido a la menor movilidad de sus portadores de carga.
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. 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.
1.2 Respecto del párrafo subrayado. Justifique o critique lo que allí se dice. Amplíe respecto de las
consecuencias tecnológicas que tiene la posibilidad descrita. (Máx. 15 renglones)
El dopaje de semiconductores ha abierto una era de revoluciones y adelantes en lo
concerniente a la electrónica y las aplicaciones que dependen de esta. Pero el gran problema siguen
siendo las temperaturas. En muchos casos gran parte del diseño se basa en la disipación del calor. Esto
limita las características que pueden ofrecer estos dispositivos.
En este sentido el avance de la tecnología está yendo a tamaños cada vez menores que por solo este
hecho, consumen menos energía y a consecuencia emanan menos calor.
Pero esta perspectiva tiene un límite y está llegando a su máximo desarrollo con la tecnología
actual.
Investigaciones recientes para reducir el consumo de energía y las temperaturas han llegado a
resultados alentadores, y se esperan avances significativos en este área próximamente.
2] ¿Cómo es posible que el agregado de cantidades tan pequeñas de impurezas como 1 parte en
100.000.000 altere tan profundamente las propiedades eléctricas de un semiconductor?
¿Qué consecuencias tiene esto respecto de las características necesarias de los materiales de partida?
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Profesor: Vallhonrat, Carlos
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Año: 2017
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El número de átomos dopantes necesitados para crear una diferencia en las capacidades conductoras de
un semiconductor es muy pequeña. Cuando se agregan un pequeño número de átomos dopantes (en el
orden de 1 cada 100.000.000 átomos) entonces se dice que el dopaje es bajo o ligero. Cuando se
agregan muchos más átomos (en el orden de 1 cada 10.000) entonces se dice que el dopaje es alto o
pesado. Este tipo de dopaje pesado se representa con la nomenclatura N+ para material tipo N o P+
para material tipo P.
3] Represente el perfil de las bandas electrónicas de energía a lo largo de un semiconductor: intrínseco,
tipo p y tipo n, a temperatura ambiente, mostrando en cada caso las diferentes concentraciones de
portadores y las variaciones que ocurren al aplicar una tensión externa.
V alto (>0)
V bajo (<0)
Epe- BAJA
Eph+ ALTA
Epe- ALTA
Eph+ BAJA
Bandas de Energía en un Semiconductor tipo n
Tenemos muy pocos átomos de impurezas (+5) en comparación con los átomos normales de
Silicio (+4).
Como se impurifica muy poco, los átomos de +5 están muy alejados y no se influyen entre si,
pudiendo tener electrones de átomos diferentes la misma energía y por lo tanto están todos al mismo
nivel. Esa energía que tienen se llama "Energía del átomo Donador" (ED).
En cuanto se le de una pequeña energía los electrones suben a la BC y se convierten en libres.
Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí) ....
Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese que cada átomo
comparte cada uno de sus electrones con otros cuatro átomos
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Comisión: 5º
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Turno: Noche
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.... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones en su capa exterior) por un
átomo de otro elemento que contenga cinco electrones en su capa exterior, resulta que cuatro de esos
electrones sirven para enlazarse con el resto de los átomos de la red y el quinto queda libre.
Semiconductor dopado tipo N
A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le denomina "Silicio tipo N"
En esta situación hay mayor número de electrones que de huecos. Por ello a estos últimos se les
denomina "portadores minoritarios" y "portadores mayoritarios" a los electrones
Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso de dopado son el arsénico, el antimonio y el
fósforo
Está claro que si a un semiconductor dopado se le aplica tensión en sus bornas, las posibilidades de
que aparezca una corriente en el circuito son mayores a las del caso de la aplicación de la misma tensión
sobre un semiconductor intrínseco o puro.
Bandas de Energía en un Semiconductor tipo p
En este caso las impurezas son átomos de +3, y como en el caso anterior hay muy pocos y están
muy alejados por lo que los electrones de átomos diferentes están al mismo nivel energético. Esa
energía es la "Energía del átomo Aceptor" (EA).
A 300 ºK o más, el electrón cercano a EA sube desde la BV y deja un hueco en la BV mientras
que la EA se llena de electrones. Se sigue dando generación térmica también, pero como antes es
despreciable.
Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí) ....
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Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese que cada átomo comparte
cada uno de sus electrones con otros cuatro átomos
.... sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones en su capa exterior)
por un átomo de otro elemento que contenga tres electrones en su capa exterior, resulta que estos tres
electrones llenarán los huecos que dejaron los electrones del átomo de silicio, pero como son cuatro,
quedará un hueco por ocupar. Osea que ahora la sustitución de un átomo por otros provoca la aprición
de huecos en el cristal de silicio. Por tanto ahora los "portadores mayoritarios" serán los huecos y los
electrones los portadores minoritarios.
A esta red de silicio dopada con esta clase de impurezas se le denomina "silicio tipo P"
Semiconductor dopado tipo P
4] Analice críticamente el siguiente párrafo del texto citado en 1:
"Como sabemos el movimiento de los electrones se verifica en dirección opuesta al campo,
desplazándose siempre hacia los puntos de energía potencial más baja. Así pues, la aplicación del campo
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eléctrico hace que los electrones de la banda de conducción se muevan dentro de la banda bajando
hacia los puntos de menor potencial. Igualmente, cuando se trata de la banda de valencia, también
puede existir movimiento de electrones siempre que exista un hueco o estado vacante en las
proximidades,(...).De esto se concluye que los huecos de la banda de valencia se desplazan en la
dirección del campo eléctrico o, lo que es lo mismo, hacia valores de energía potencial más elevada".
¿Hay alguna contradicción?
En el párrafo anterior existe una contradicción muy notoria. Las mismas se encuentran
subrayadas.
Al aplicar un campo eléctrico los electrones de la banda de conducción no se mueven hacia los
puntos de menor potencial sino que ocurre lo contrario. En el caso de los huecos, si se desplazan en el
sentido del campo eléctrico, pero hacia valores de energía potencial más baja.
5] ¿Cuál es el sentido de la corriente eléctrica transportada por los huecos, comparada con la de los
electrones de la banda de conducción?
El signo de la corriente es igual, lo que varía es el movimiento del flujo. Esto se debe a que los
electrones saltan sobre los huecos, haciendo que se llenen esos espacios con electrones, lo que genera
que las corrientes circulen con flujos opuestos.
6] ¿Puede haber huecos en un metal? ¿Bajo qué condiciones es conveniente introducir el concepto de
"hueco"?
No, no puede haber huecos en un metal. Esto se debe a que las bandas de valencia y de
conducción están superpuestas, no existe gap. El concepto de hueco es útil al hablar de
Semiconductores.
7] Dado que la consecuencia más importante del proceso de dopado es el aumento de la concentración
de portadores, ¿es posible alguna situación en la que la concentración de portadores sea mayor que la
concentración de impurezas añadidas?
La consecuencia más importante del proceso de dopado es el aumento de la concentración de
portadores. La concentración de portadores siempre es mayor que la concentración de impurezas
añadidas.
8] En la fabricación de diodos se parte de un SC extrínseco y se lo sobredopa en una pequeña región,
para cambiar el signo de los portadores mayoritarios. Si el extrínseco fuese de tipo p, ¿con qué tipo de
impureza debería ser sobredopado?
En la fabricación de Diodos se parte de un semiconductor extrínseco y se lo sobredopa para
cambiar el signo de los portadores. En caso de que el semiconductor extrínseco fuese de clase P, éste
debería ser sobredopado con un dopante donor.
Para aumentar la concentración de electrones suelen utilizarse impurezas aceptoras (como ser
por ejemplo átomos de fósforo (P), arsénico (As) y antimonio (Sb).
Mientras que para aumentar la concentración de huecos se añaden átomos de boro (B), galio
(Ga), indio (In) o aluminio (Al).
9] Escribir en unos pocos (3 ó 4) renglones una explicación de los siguientes términos de la teoría de
semiconductores:
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Banda de Conducción: Banda de mayor energía ocupada y totalmente vacía en el estado fundamental.
Es el intervalo de energías electrónicas que permite a los electrones sufrir aceleraciones por la presencia
de un campo eléctrico externo. Los electrones de un semiconductor pueden alcanzar esta banda cuando
reciben suficiente energía, generalmente debido a la excitación térmica.
Banda de Valencia: Es la banda de mayor energía ocupada en el estado fundamental. Provee de energía
a la banda de conducción.
Gap: La separación entre la banda de valencia y la de conducción se llama banda prohibida, porque en
ella no puede haber portadores de corriente. Es la diferencia de energía entre la parte superior de la
banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción.
Hueco: Es la ausencia de un electrón en la banda de valencia. Tal banda de valencia estaría
normalmente completa sin el "hueco". Una banda de valencia completa es característica de los aislantes
y de los semiconductores. La noción de "hueco" en este caso es esencialmente un modo sencillo útil
para analizar el movimiento de un gran número de electrones, considerando ex profeso a esta ausencia
o hueco de electrones como si fuera una partícula elemental o -más exactamente- una cuasi-partícula.
Intrínseco/extrínseco: Si la cantidad de portadores (huecos) en la banda de valencia es igual a la
cantidad de portadores de la banda de conducción (electrones) tendremos lo que se llama un
semiconductor intrínseco. Si en cambio la relación cambia se dice que es un semiconductor extrínseco.
Tipo p / tipo n: Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo
un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga
libres (en este caso, negativas).
Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de
átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso
positivos).
Recombinación: Es el proceso en el cual se combinan los electrones con los huecos.
Dopado: Es el proceso en el cual se insertan impurezas en Semiconductores, para mejorar la
conductividad.
Concentración de portadores: cantidad de portadores por unidad de volumen.
Portador minoritario / mayoritario: En los semiconductores, los electrones y los huecos actúan como
los portadores de carga. Los más abundantes son llamados portadores mayoritarios. En los
semiconductores tipo N son los electrones, y en los semiconductores tipo P son los huecos. Los
portadores de carga menos abundantes son llamados portadores minoritarios; en semiconductores tipo
N son los huecos y en los semiconductores tipo P son los electrones.
Los portadores minoritarios desempeñan un importante papel en los transistores bipolares. Cuando un
electrón se encuentra con un hueco, se recombinan y desaparecen. La energía desprendida puede ser
térmica, calentando el semiconductor (recombinación térmica) o emitida como fotones (recombinación
óptica, usada en los diodos emisores de luz (LEDs) y el los lasers).
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