Semiconductores y Diodos: Conceptos Fundamentales, Dopado y Polarización

¿Qué es un Material Semiconductor?

Un material semiconductor es una sustancia no metálica, como el silicio (Si) o el germanio (Ge), cuya conductividad aumenta rápidamente al incrementar la temperatura o por la adición de impurezas.

Materiales Clave en la Fabricación de Semiconductores

Los materiales principales utilizados son el silicio (Si) y el germanio (Ge). Estos se eligen porque pueden fabricarse con un nivel de pureza extremadamente elevado (aproximadamente una impureza por cada diez mil millones de partes puras). El proceso de adición controlada de impurezas se conoce como dopado.

Material Intrínseco

Se denomina material intrínseco a un semiconductor que ha sido cuidadosamente refinado para reducir las impurezas a un nivel muy bajo. A temperatura ambiente, existen aproximadamente 1.5 x 10¹⁰ portadores libres en 1 cm³ de material intrínseco de silicio.

Efecto de la Temperatura en los Semiconductores

Un incremento en la temperatura de un semiconductor provoca un aumento importante en el número de electrones libres, por lo cual su resistencia eléctrica disminuye. Por esta razón, los semiconductores tienen un coeficiente de temperatura negativo. (Cabe destacar que los metales, por el contrario, tienen un coeficiente de temperatura positivo, es decir, al aumentar la temperatura, su resistencia aumenta).

Material Extrínseco y el Proceso de Dopado

Se denomina material extrínseco al semiconductor al que se le han añadido impurezas, proceso que se conoce como dopado. Existen dos tipos de materiales extrínsecos:

• Material tipo N
• Material tipo P

Material Tipo N (Donador)

El material tipo N se forma agregando al semiconductor en estado puro impurezas cuyos átomos tienen 5 electrones de valencia, como el fósforo (P). Al incorporar un átomo de fósforo (P) como impureza, se observa que un electrón queda libre para moverse dentro del material tipo N. A estos átomos se les conoce como átomos donadores.

Material Tipo P (Aceptor)

El material tipo P se forma agregando al semiconductor en estado puro impurezas cuyos átomos tienen 3 electrones de valencia, como el boro (B). Al incorporar un átomo de boro (B) como impureza, se observa que queda un lugar vacío, llamado hueco o laguna, que puede ser ocupado por un electrón libre. A estos átomos se les llama átomos aceptores.

La Unión P-N: Fundamento del Diodo

Cuando se une un material tipo N con un material tipo P, se forma un componente fundamental en electrónica llamado diodo. Al unirse los dos materiales, se produce una atracción entre los iones positivos y negativos, lo cual origina la llamada región de agotamiento (o zona de deflexión), debido a que en esa zona no existen portadores libres (ni huecos ni electrones).

Polarización Inversa del Diodo

Cuando se conecta al diodo una fuente de tensión (Vd) con el polo negativo conectado al material tipo P y el polo positivo conectado al material tipo N, se dice que el diodo está polarizado en inversa. En esta configuración, la región de agotamiento se vuelve más ancha, ya que los electrones del material tipo N son atraídos por el polo positivo de la fuente, y los huecos del material tipo P son atraídos por el polo negativo. Como consecuencia, se establece una barrera de potencial muy grande que impide que los portadores mayoritarios la superen y den origen a una corriente eléctrica significativa a través del diodo.

Polarización Directa del Diodo

En la polarización directa, el material tipo P se conecta al polo positivo de la fuente y el material tipo N se conecta al polo negativo. Como consecuencia, los electrones en el material tipo N y los huecos en el material tipo P son impulsados por el potencial aplicado para que se combinen con los iones cercanos a la unión, reduciendo, por lo tanto, el ancho de la región de agotamiento. Esta reducción permite que los portadores mayoritarios fluyan, generando una corriente eléctrica.