Semiconductor extrínseco - Extrinsic semiconductor

Un semiconductor extrínseco es uno que ha sido dopado ; Durante la fabricación del cristal semiconductor , se ha incorporado químicamente al cristal un oligoelemento o químico llamado agente dopante , con el fin de darle propiedades eléctricas diferentes a las del cristal semiconductor puro, que se denomina semiconductor intrínseco . En un semiconductor extrínseco, son estos átomos dopantes extraños en la red cristalina los que proporcionan principalmente los portadores de carga que llevan la corriente eléctrica a través del cristal. Los agentes dopantes utilizados son de dos tipos, lo que da como resultado dos tipos de semiconductores extrínsecos. Un dopante donante de electrones es un átomo que, cuando se incorpora al cristal, libera un electrón de conducción móvil en la red cristalina. Un semiconductor extrínseco que ha sido dopado con átomos donantes de electrones se llama semiconductor de tipo n , porque la mayoría de los portadores de carga en el cristal son electrones negativos. Un dopante aceptor de electrones es un átomo que acepta un electrón de la red, creando una vacante donde un electrón debería llamarse un agujero que puede moverse a través del cristal como una partícula cargada positivamente. Un semiconductor extrínseco que ha sido dopado con átomos aceptores de electrones se llama semiconductor de tipo p , porque la mayoría de los portadores de carga en el cristal son huecos positivos.

El dopaje es la clave de la extraordinariamente amplia gama de comportamiento eléctrico que pueden exhibir los semiconductores, y los semiconductores extrínsecos se utilizan para fabricar dispositivos electrónicos semiconductores como diodos , transistores , circuitos integrados , láseres semiconductores , LED y células fotovoltaicas . Los sofisticados procesos de fabricación de semiconductores , como la fotolitografía, pueden implantar diferentes elementos dopantes en diferentes regiones de la misma oblea de cristal semiconductor, creando dispositivos semiconductores en la superficie de la oblea. Por ejemplo, un tipo común de transistor, el transistor bipolar npn , consta de un cristal semiconductor extrínseco con dos regiones de semiconductor de tipo n, separadas por una región de semiconductor de tipo p, con contactos metálicos unidos a cada parte.

Conducción en semiconductores

Una sustancia sólida puede conducir corriente eléctrica solo si contiene partículas cargadas, electrones , que pueden moverse libremente y no están adheridas a átomos. En un conductor de metal , son los átomos de metal los que proporcionan los electrones; Normalmente, cada átomo de metal libera uno de sus electrones orbitales externos para convertirse en un electrón de conducción que puede moverse por todo el cristal y transportar corriente eléctrica. Por lo tanto, el número de electrones de conducción en un metal es igual al número de átomos, un número muy grande, lo que hace que los metales sean buenos conductores.

A diferencia de los metales, los átomos que forman el cristal semiconductor no proporcionan los electrones responsables de la conducción. En los semiconductores, la conducción eléctrica se debe a los portadores de carga móviles , electrones o huecos que son proporcionados por impurezas o átomos dopantes en el cristal. En un semiconductor extrínseco, la concentración de átomos dopantes en el cristal determina en gran medida la densidad de los portadores de carga, lo que determina su conductividad eléctrica , así como muchas otras propiedades eléctricas. Ésta es la clave de la versatilidad de los semiconductores; su conductividad puede manipularse en muchos órdenes de magnitud mediante el dopaje.

Dopaje de semiconductores

El dopaje de semiconductores es el proceso que cambia un semiconductor intrínseco a un semiconductor extrínseco. Durante el dopaje, los átomos de impurezas se introducen en un semiconductor intrínseco. Los átomos de impureza son átomos de un elemento diferente a los átomos del semiconductor intrínseco. Los átomos de impureza actúan como donantes o aceptores del semiconductor intrínseco, cambiando las concentraciones de electrones y huecos del semiconductor. Los átomos de impureza se clasifican como átomos donantes o aceptores según el efecto que tienen sobre el semiconductor intrínseco.

Los átomos de impurezas donantes tienen más electrones de valencia que los átomos que reemplazan en la red intrínseca de semiconductores. Las impurezas donantes "donan" sus electrones de valencia adicionales a la banda de conducción de un semiconductor, proporcionando electrones en exceso al semiconductor intrínseco. El exceso de electrones aumenta la concentración de portadores de electrones (n 0 ) del semiconductor, haciéndolo de tipo n.

Los átomos de impurezas aceptores tienen menos electrones de valencia que los átomos que reemplazan en la red intrínseca de semiconductores. Ellos "aceptan" electrones de la banda de valencia del semiconductor. Esto proporciona un exceso de agujeros al semiconductor intrínseco. El exceso de orificios aumenta la concentración del portador de orificios (p 0 ) del semiconductor, creando un semiconductor de tipo p.

Los semiconductores y los átomos dopantes se definen por la columna de la tabla periódica en la que se encuentran. La definición de columna del semiconductor determina cuántos electrones de valencia tienen sus átomos y si los átomos dopantes actúan como donantes o aceptores del semiconductor.

Los semiconductores del grupo IV utilizan átomos del grupo V como donantes y átomos del grupo III como aceptores.

Los semiconductores del grupo III-V , los semiconductores compuestos , utilizan átomos del grupo VI como donantes y átomos del grupo II como aceptores. Los semiconductores del grupo III-V también pueden utilizar átomos del grupo IV como donantes o aceptores. Cuando un átomo del grupo IV reemplaza al elemento del grupo III en la red de semiconductores, el átomo del grupo IV actúa como donante. Por el contrario, cuando un átomo del grupo IV reemplaza al elemento del grupo V, el átomo del grupo IV actúa como aceptor. Los átomos del grupo IV pueden actuar tanto como donantes como aceptores; por lo tanto, se conocen como impurezas anfóteras .

Semiconductor intrínseco Átomos donantes (semiconductor tipo n) Átomos aceptores (semiconductor tipo p)
Semiconductores del grupo IV Silicio , germanio Fósforo , arsénico , antimonio Boro , Aluminio , Galio
Semiconductores del grupo III-V Fosfuro de aluminio , arseniuro de aluminio , arseniuro de galio , nitruro de galio Selenio , Telurio , Silicio , Germanio Berilio , zinc , cadmio , silicio , germanio

Los dos tipos de semiconductores

Semiconductores tipo N

Estructura de banda de un semiconductor tipo n. Los círculos oscuros en la banda de conducción son electrones y los círculos de luz en la banda de valencia son agujeros. La imagen muestra que los electrones son el portador de carga mayoritario.

Los semiconductores de tipo N se crean dopando un semiconductor intrínseco con un elemento donante de electrones durante la fabricación. El término tipo n proviene de la carga negativa del electrón. En los semiconductores de tipo n, los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios . Un dopante común para el silicio de tipo n es el fósforo o el arsénico . En un semiconductor de tipo n, el nivel de Fermi es mayor que el del semiconductor intrínseco y se encuentra más cerca de la banda de conducción que de la banda de valencia .

Ejemplos: fósforo , arsénico , antimonio , etc.

Semiconductores tipo P

Estructura de banda de un semiconductor tipo p. Los círculos oscuros en la banda de conducción son electrones y los círculos de luz en la banda de valencia son agujeros. La imagen muestra que los agujeros son el portador de carga mayoritario.

Los semiconductores de tipo P se crean dopando un semiconductor intrínseco con un elemento aceptor de electrones durante la fabricación. El término tipo p se refiere a la carga positiva de un agujero. A diferencia de los semiconductores de tipo n, los semiconductores de tipo p tienen una concentración de huecos mayor que la concentración de electrones. En los semiconductores de tipo p, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones los portadores minoritarios. Un dopante de tipo p común para el silicio es el boro o el galio . Para los semiconductores de tipo p, el nivel de Fermi está por debajo del semiconductor intrínseco y está más cerca de la banda de valencia que de la banda de conducción.

Ejemplos: boro , aluminio , galio , etc.

Uso de semiconductores extrínsecos

Los semiconductores extrínsecos son componentes de muchos dispositivos eléctricos comunes. Un diodo semiconductor (dispositivos que permiten la corriente en una sola dirección) consta de semiconductores de tipo py de tipo n colocados en unión entre sí. Actualmente, la mayoría de los diodos semiconductores utilizan silicio o germanio dopado.

Los transistores (dispositivos que permiten la conmutación de corriente) también utilizan semiconductores extrínsecos. Los transistores de unión bipolar (BJT), que amplifican la corriente, son un tipo de transistor. Los BJT más comunes son los de tipo NPN y PNP. Los transistores NPN tienen dos capas de semiconductores de tipo n intercalando un semiconductor de tipo p. Los transistores PNP tienen dos capas de semiconductores de tipo p intercalando un semiconductor de tipo n.

Los transistores de efecto de campo (FET) son otro tipo de transistor que amplifica la corriente implementando semiconductores extrínsecos. A diferencia de los BJT, se denominan unipolares porque implican una operación de tipo de portadora única, ya sea canal N o canal P. Los FET se dividen en dos familias, FET de puerta de unión (JFET), que son tres semiconductores terminales, y FET de puerta aislada ( IGFET ), que son cuatro semiconductores terminales.

Otros dispositivos que implementan el semiconductor extrínseco:

Ver también

Referencias

  • Neamen, Donald A. (2003). Física y dispositivos de semiconductores: principios básicos (3ª ed.) . Educación superior McGraw-Hill. ISBN   0-07-232107-5 .

enlaces externos