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ELECTROMAGNETISMO-ESTADO SÓLIDO II
GUIAS DE LECTURA / PROBLEMAS
Guía de Lectura /Problemas. Semiconductores
CONTENIDOS: Mecanismo de conducción en semiconductores. Criterios de pureza. Tipo y
concentración de portadores de carga. Proceso de dopaje. Semiconductores intrínsecos
y extrínsecos.
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.
Como sabemos existen materiales capaces de conducir la corriente eléctrica mejor que otros.
Generalizando, se dice que los materiales que presentan poca resistencia al paso de la corriente
eléctrica son conductores. Analógicamente, los que ofrecen mucha resistencia al paso de esta, son
llamados aislantes. No existe el aislante perfecto y prácticamente tampoco el conductor perfecto.
Existe un tercer grupo de materiales denominados semiconductores que, como su nombre lo indica,
conducen la corriente bajo ciertas condiciones.
Lo que diferencia a cada grupo es su estructura atómica.
Los conductores son, generalmente, metales Esto se debe a que dichos poseen pocos átomos en sus
últimas órbitas y, por lo tanto, tienen tendencia a perderlos con facilidad. De esta forma, cuando
varios átomos de un metal, se acercan los electrones de su última órbita se desprenden y circulan
desordenadamente entre una verdadera red de átomos. Este hecho (libertad de los electrones)
favorece en gran medida el paso de la corriente eléctrica.
Los aislantes, en cambio, están formados por átomos con muchos electrones en sus últimas órbitas
(cinco a ocho), por lo que, no tienen tendencia a perderlos fácilmente y a no establecer una corriente
de electrones. De ahí su alta resistencia.
También existe otro tercer tipo de materiales, que cambia en mayor o menor medida la característica
de los anteriores, los semiconductores. Su característica principal es la de conducir la corriente sólo
bajo determinadas circunstancias, y evitar el paso de ella en otras.
Es, precisamente, en este tipo de materiales en los que la electrónica de estado sólida está basada. La
estructura atómica de dichos materiales presenta una característica común: está formada por átomos
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tetravalentes (es decir, con cuatro electrones en su última órbita), por lo que les es fácil ganar cuatro o
perder cuatro.
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?
Los semiconductores extrínsecos se obtienen, como se dijo, de los intrínsecos. El agregado de
pequeñísimas cantidades de impurezas, altera profundamente y en forma previsible las propiedades
eléctricas del material. Las impurezas que se agregan, en forma controlada, son elementos del grupo
III o del V de la Tabla Periódica. Tanto el Si como el Ge, que tomaremos como ejemplo, pertenecen al
grupo IV, lo que significa que poseen cuatro electrones de valencia. Estos electrones, compartidos
entre átomos vecinos, forman el enlace químico, sumamente estable que origina la estructura del
sólido en forma de cristal ordenado
Ahora, si algunos átomos del cristal intrínseco, son reemplazados por átomos del V grupo (esto
significa cinco electrones de valencia), el electrón sobrante causará una profunda alteración
energética. Todo ocurre como si este electrón de más, ya en el estado fundamental (no excitado)
tuviese casi la energía necesaria para alcanzar la banda de conducción. Cosa que ocurre ya a muy
baja temperatura. Podemos representarlo como antes, salvo que, para mayor claridad, no
dibujaremos ni los electrones en la banda de valencia ni los lugares vacantes en la banda de
conducción
La consecuencia inmediata de este mecanismo es que se crea un portador (electrón libre), por cada
átomo extraño agregado, y a bajas temperaturas. Si recordamos que en el intrínseco se necesitaba del
orden de 10 12 átomos para tener un portador ( o dos contando el hueco), podemos comprender que el
agregado de cantidades tan pequeñas como una parte de dopante cada diez millones (o sea 10 7 ) de
partes del material base, ocasiona un aumento de cinco órdenes de magnitud (cien mil veces) en la
concentración de portadores, con el consiguiente aumento de la conductividad.
3] ¿Cuál es el sentido de la corriente eléctrica transportada por los huecos,
comparada con la de los electrones de la banda de conducción?
La condición para que exista la corriente eléctrica es, por supuesto, --como se dijo--, la existencia de un
campo eléctrico, o sea que se aplique una diferencia de potencial, que ocasionará que los electrones de
la banda de conducción, moviéndose contra la dirección del campo, se dirijan hacia las regiones de
mayor potencial eléctrico, mientras que los huecos de la banda de valencia se mueven en dirección
opuesta.
4] ¿Puede haber huecos en un metal? ¿Bajo qué condiciones es conveniente
introducir el concepto de "hueco"?
En un metal la banda de conducción y la banda de valencia están superpuestas con lo cual no es
posible que se creen huecos en la banda de valencia.
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El concepto de hueco es conveniente introducirlo cuando la banda de valencia y la banda de
conducción están separadas por un GAP (salto). De esta forma es más sencillo analizar las variaciones
eléctricas que ocurren en estas bandas energéticas. En el metal el Gap es cero, lo que lo convierte en
un conductor.
Por lo tanto los huecos no se generan en la banda de valencia.
5] Escribir en unos pocos (3 ó 4) renglones una explicación de los siguientes
términos de la
 Banda de conducción

GAP
 Intrínseco/extrínseco
 Tipo p / tipo n
 Par hueco-electrón
 Recombinación
Banda de Conducción: Se denomina “banda de conducción” al nivel de energía donde la atracción del
núcleo del átomo sobre los electrones es más débil. Ese nivel corresponde a la última órbita del átomo,
la que puede compartir así sus electrones entre el resto de los átomos de un cuerpo, permitiendo que se
desplacen por el mismo en forma de nube electrónica.
GAP: Entre las bandas fundamental y excitada existe una brecha de energía (conocida como gap, del
inglés) que puede ser mayor o menor, dependiendo de la naturaleza de los átomos
Intrínseco/extrínseco:
Semiconductores intrínsecos: Son los que prácticamente carecen de impurezas; un átomo de
impureza por cada 1011 átomos de semiconductor. En estos semiconductores, que se pueden
considerar casi puros, la conducción se realiza por pares electrón-hueco, producidos por generación
térmica, de modo que cuanto mayor es el calor, mayor es la cantidad de portadores de carga libre y
menor su resistividad. Debido a esta clase de conducción, estos semiconductores suelen emplearse
como elementos sensibles a la temperatura, ya que, a bajas temperaturas, hay pocos pares electrónhueco y se comportan como materiales casi aislantes, pues todos los enlaces están completos y no hay
candidatos a ser portadores de carga. Por el contrario, cuanto mayor es la temperatura, mayor es el
número de pares electrón-hueco y, por consiguiente, la resistividad disminuye.
Semiconductores extrínsecos: Son los que poseen un átomo de impureza por cada 10 7 átomos de
semiconductor. Además, estos átomos de impureza, más numerosos que los del semiconductor
intrínseco, suelen tener tres o cinco electrones de valencia, a fin de que les sobre o les falte un electrón
para completar los enlaces covalentes. Al tener portadores independientes de la generación térmica, la
resistividad de éstos semiconductores es menor que la de los intrínsecos. Su conductividad será mayor
cuanto mayor sea el número de portadores libres, y, por tanto, aumentará con el número de
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impurezas. La aplicación de este tipo de semiconductores da lugar a los dispositivos más importantes,
transistores, diodos etc., que se basan en el control de los portadores de carga, electrones o huecos.
Como hemos mencionado, los átomos de las impurezas suelen tener tres o cinco electrones de valencia,
lo que permite subdividir estos semiconductores en dos tipos de gran importancia:
Tipo N: Si en una estructura cristalina se introduce un átomo que tenga cinco electrones de valencia
(por ejemplo As, Si ó Sb), cuatro de estos electrones se unirán con otros cuatro, uno de cada uno de los
átomos cercanos y formarán los cuatro enlaces covalentes. Mas el quinto electrón quedará libre y
podrá extraerse, con relativa facilidad, de la acción de su núcleo, ya que se encuentra muy cerca de la
banda de conducción del semiconductor. A temperatura ambiente (20 °C), el electrón se encuentra en
la banda de conducción y, por tanto, podrá actuar como portador de carga negativa.
Tipo P: En el apartado anterior vimos que, al introducir átomos de impurezas que tenían cinco
electrones de valencia, se constituía un semiconductor extrínseco de tipo N. Si, por el contrario, los
átomos de impureza son de tres electrones de valencia (por ejemplo In, Be ó Al), los cuatro átomos de
semiconductor no podrán compartir sus electrones con el átomo de impureza ya que, utilizando sus
tres electrones, tan sólo se podrán formar tres enlaces covalentes, quedando el átomo semiconductor
del cuarto enlace con un hueco en él, que podrá ser llenado con los electrones de los átomos próximos.
A temperatura ambiente, el hueco ya no se encontrará localizado en el átomo de impureza, sino que
será libre en el cristal y se utilizará como portador de carga en la conducción.
Par hueco-electron: el electrón al moverse contribuye a la conducción y deja una vacante llamada
hueco. Este hueco puede ser ocupado por otro electrón. Surge así un portador de carga positiva y otro
negativo denominado par electrón-hueco.
Recombinación: la distribución electrónica entre las bandas es el resultado de un equilibrio dinámico
en el que el "flujo" de electrones hacia la banda de conducción es igual al flujo en sentido inverso. Un
electrón en la banda de conducción puede perder cierta cantidad de energía y volver a la banda de
valencia y ello está ocurriendo permanentemente. Se llama a este proceso "recombinación".
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