SEMI CONDUCTORES

Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor, considerados en orden creciente

Los semiconductores más conocidos son el silicio (Si) y el germanio (Ge). Debido a que, como veremos más adelante, el comportamiento del silicio es más estable que el germanio frente a todas las perturbaciones exteriores que pueden variar su respuesta normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más utilizado en la fabricación de los componentes electrónicos de estado solido. A él nos referiremos normalmente, teniendo en cuenta que el proceso del germanio es absolutamente similar.

Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo, como electrones en las órbitas que le rodean. (En el caso del silicio este número es de 14). El interés del semiconductor se centra en su capacidad de dar lugar a la aparición de una corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. Como es de todo conocido, un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos. Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas exteriores. Estos electrones pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres al inyectarles una pequeña energía. En estos recaerá nuestra atención y es así que en vez de utilizar el modelo completo del átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación simplificada (figura 2) donde se resalta la zona de nuestro interés.

La zona sombreada de la figura 2 representa de una manera simplificada a la zona sombreada de la figura 1

Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser liberados de la fuerza de atracción del núcleo son cuatro

SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO

Cuando el silicio se encuentra formado por átomos del tipo explicado en el apartado anterior, se dice que se encuentra en estado puro o más usualmente que es un semiconductor intrínseco

Una barra de silicio puro está formada por un conjunto de átomos en lazados unos con otros según una determinada estructura geométrica que se conoce como red cristalina

Si en estas condiciones inyectamos energía desde el exterior, algunos de esos electrones de los órbitas externas dejarán de estar enlazados y podrán moverse. Lógicamente si un electrón se desprende del átomo, este ya no está completo, decimos que está cargado positivamente, pues tiene una carga negativa menos, o que ha aparecido un hueco. Asociamos entonces el hueco a una carga positiva o al sitio que ocupaba el electrón.

El átomo siempre tendrá la tendencia a estar en su estado normal, con todas sus cargas, por lo tanto en nuestro caso, intentará atraer un electrón de otro átomo para rellenar el hueco que tiene.

Toda inyección de energía exterior produce pues un proceso continuo que podemos concretar en dos puntos:

Electrones que se quedan libres y se desplazan de un átomo a otro a lo largo de la barra del material semiconductor de silicio.

Aparición y desaparición de huecos en los diversos átomos del semiconductor.

Queda así claro que el único movimiento real existente dentro de un semiconductor el de electrones. Lo que sucede es que al aparecer y desaparecer huecos, "cargas positivas", en puntos diferentes del semiconductor, parece que estos se mueven dando lugar a una corriente de cargas positivas. Este hecho, movimiento de huecos, es absolutamente falso,. Los huecos no se mueven, sólo parece que lo hacen.

Ahora bien, para facilitar el estudio de los semiconductores hablaremos de corriente de huecos (cargas positivas), pues nos resulta más cómodo y los resultados obtenidos son los mismos que los reales.

SEMICONDUCTOR DOPADO

Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de la pila intentará atraer los electrones y el negativo los huecos favoreciendo así la aparición de una corriente a través del circuito

Sentido del movimiento de un electrón y un hueco en el silicio

Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos los electrones que podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar el valor de dicha corriente tenemos dos posiblidades:

Aplicar una tensión de valor superior

Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exterior

La primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el valor de la tensión aplicada, la corriente que aparece no es de suficiente valor. La solución elegida es la segunda.

En este segundo caso se dice que el semiconductor está "dopado".

El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores.

Semiconductor tipo P

Semiconductor tipo N

SEMICONDUCTOR TIPO N

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

.... 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.

SEMICONDUCTOR TIPO P

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

.... 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 aparición 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

OBSERVACIONES

Los semiconductores dopados se representan indicando dentro de los mismos el tipo de portadores mayoritarios.

No siempre el índice de dopado de un semiconductor es el mismo, puede ser que este "poco dopado", "muy dopado", etc.

Es norma utilizar el signo (+) para indicar que un semiconductor está fuertemente dopado.

      Semiconductor tipo N fuertemente dopado       Semiconductor tipo P fuertemente dopado

Todos los componentes electrónicos en estado sólido que veremos en adelante (transistores, diodos, tiristores) no son ni más y menos que un conjunto de semiconductores de ambos tipos ordenados de diferentes maneras.

POLARIZACIÓN DIRECTA

Si ahora aplicamos a dicha unión una tensión exterior de signo contrario a la barrera de potencial interna, ésta irá disminuyendo en anchura. A mayor tensión aplicada externamente corresponderá una barrera interna menor y podremos llegar a conseguir que dicha barrera desaparezca totalmente.

En este momento los electrones (portadores mayoritarios) de la zona N están en disposición de pasar a la zona P. Exactamente igual están los huecos de la zona P que quieren "pasar" a la zona N.

a)Sin polarización                                 

b) Polarización directa débil, región agotada reducida, pero no eliminada

c) Al aumentar la polarización directa, la zona agotada y su barrera de potencial interna asociada han sido neutralizadas

A la tensión externa que anula la barrera de potencial de la unión y la deja preparada para el paso de los respectivos portadores mayoritarios, se le denomina tensión Umbral. Se la representa po Vu y sus valores prácticos son:

Para el Silicio  Vu = 0,4 - 0,5 voltios

Para el Germanio Vu =  0,05 - 0,06 voltios

En esta situación, al aplicar un aumento en la tensión exterior, los electrones se sentirán atraídos por el polo positivo de la pila y los huecos por el negativo de la misma. No hay dificultad para atravesar la unión y por tanto aparecerá una corriente de mayoritarios a través del circuito. A partir de aquí, cualquier aumento de tensión provoca un aumento de la corriente.

Al conjunto de tensiones que crean corriente proporcional en el diodo se les llama tensiones de polarización directa o de funcionamiento. Sus valores típicos son:

Para el Silicio 0,5 - 0,8 voltios

Para el Germanio 0,06 - 0,15 voltios

Flujo de corriente en un diodo polarizado en directo

Parece lógico pensar que llegará un momento en que el proceso, aumento de tensión exterior, aumento de corriente en la unión, tendrá que parar. Y esto es así, porque a partir de un determinado valor de la tensión exterior aplicada, los electrones se neutralizan en mayor número con los huecos en el interior del diodo y son pocos los que pueden salir al circuito exterior. Es decir que el aumento es absorbido por el mismo diodo. A esta tensión a partir de la cual la corriente a través del diodo se mantiene constante, (en la práctica aumenta ligeramente) se le denomina tensión de saturación.

Sus valore típicos son:

Para el Silicio Vsat  0,8 - 0,9 voltios

Para el Germanio  Vsat  0,15 - 0,2 voltios

Cualquier intento de provocar un aumento de corriente puede originar a partir de este momento la destrucción del diodo.

POLARIZACIÓN INVERSA

Si la tensión aplicada externamente al diodo es del mismo signo que la barrera de potencial interna se dice que el diodo está polarizado inversamente. El terminal positivo de la pila atrae a los electrones del material N apartándolos de la unión, mientras que el negativo a trae a las cargas positivas del material P, apartándolos también de la unión. Se crea, por tanto, en la unión, una ausencia de carga, formándose una corriente que recibe el nombre de "corriente inversa de saturación" o "corriente de fuga". Su valor es prácticamente despreciable, pues es del orden de nA (nanoampaerios).

El ancho de la capa agotada aumenta al polarizar la unión en sentido inverso.

a)Sin polarización inversa

b) Al aplicar una polarización inversa, el ancho de la capa agotada aumenta

Al ir aumentando esta tensión inversa llega un momento en que el diodo pierde su capacidad de bloqueo y fluye entonces una gran corriente inversa. Esta tensión recibe el nombre de "tensión de ruptura". Normalmente en esta situación el diodo se destruye.