Propiedades de Materiales Semiconductores: Conductores, Aislantes y Semiconductores, Apuntes de Electrónica Básica

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Electrónica Básica

Ing. Julio Roberto Gomez Peña, MSc Mayo 2019

Análisis de conducción

• Los diversos materiales existentes en la naturaleza puede ser clasificados de acuerdo a su conductividad eléctrica.
• Conductores: Son materiales que contienen electrones que pueden moverse libremente. Estos materias son empleados para hacer circuitos eléctricos.
• Aislantes: Son materiales donde los electrones no pueden circular libremente. Estos materiales no permiten la conducción eléctrica.
• Semiconductores: son materiales que pueden variar sus conducción según factores externos.

Conductores

• La estructura molecular presenta facilidad para la conducción puesto que en sus ultimas orbitas poseen pocos electrones y tienen a perderlos con facilidad. Cuando varios átomos de un metal se acercan los electrones de sus ultimas orbitas se desprenden y circulan en desorden. Fig 2. Bandas en un Conductor [2] Que pasa con la temperatura

Semi- conductor

• Son materiales que temperaturas bajas se comportan como aislante pero al elevar su temperatura o al ser sometidos a un campo eléctrico externo su comportamiento cambia comportándose como un conductor. La separación de las bandas de valencia y conducción son pequeñas. Fig 3. Bandas en un semiconductor [1]

Semiconductores (Ge y Si)

• Las características propias de estos materiales, han tenido una gran importancia dentro de la electrónica. Puesto que el permitir el paso de electrones de corriente bajo ciertas condiciones y en otras como aislante.
• El continuo avance tecnología ha ido permitiendo controlar mejor esta propiedad y desarrollando transistores que revolucionaron el mundo electrónico.
• Existen dos tipos de semiconductores: de un solo cristal y compuesto.

Un solo cristal

• Como el germanio (Ge) y el silicio (Si) tienen una estructura cristalina repetitiva

Compuesto

• Como el arseniuro de galio (GaAs), sulfuro de cadmio (CdS), el nitruro de galio (GaN) y el fosfuro de galio y arsénico (GaAsP)se componen de dos o más materiales semiconductores de diferentes estructuras atómicas.

Enlace covalente y materiales intrínsecos

• La estructura molecular de los elementos esta compuesta por neutrones, protones y electrones.
• El modelo de Bohr de los materiales se presenta en la figura 5. Fig 5. Estructura atómica del (a) silicio; (b) germanio; © galio y arsénico. [1]

Enlace covalente y materiales intrínsecos

Fig 6. enlace covalente [3]

• En un cristal compuesto por silicio o germanio puro los cuatro electrones de valencia de un átomo forman un arreglo de enlace con cuatro adyacentes.
• Este enlace de átomos, reforzado por compartir electrones es conocido como enlace covalente.

• ¿Qué es un material intrínseco?
• Es cualquier semiconductor que ha sido cuidadosamente refinado para reducir el número de impurezas hasta un nivel muy bajo.

Enlace covalente y materiales intrínsecos

Fig 8. Número de electrones libres por centímetro cúbico. [3] Fig 9. Movilidad relativa. [3]

Materiales extrínsecos: tipo n y tipo p

• Un material extrínseco es aquel semiconductor que ha sido sometido a un proceso de dopado.
• Hay dos tipos de materiales extrínsecos que son fundamentales en la fabricación de dispositivos semiconductores: materiales tipo n y tipo p.

Material tipo n

• El material sigues siendo eléctricamente positivo. Fig 10. Efecto de las impurezas de un donador en la estructura de la banda de energia. [3]

Material tipo p

• Para la fabricación de un material tipo p se forma al dopar un cristal de germanio o silicio puro con átomos de impurezas que tienen 3 electrones de valencia. Se puede utilizar boro, galio e indio.
• En este caso el número de electrones es suficiente para formar el enlace y se crea un hueco con signo positivo para indicar la usencia de una carga positiva, como consecuencia el vacío resultante acepta con facilidad un electrón libre.

Flujo de electrones contra flujo de huecos

• Cuando un electrón de valencia adquiere suficiente energía cinética para romper su enlace covalente y llenar el vacío creado por un hueco, entonces se creará un hueco en la banda covalente que cedió el electrón. Produciendo entonces una transferencia de huecos hacia la izquierda y de electrones hacia la derecha. Fig 12. Flujo de electrones contra flujo de huecos. [3]

Portadores mayoritarios y minoritarios

• En el estado intrínseco, el número de electrones libres en Ge o Si se de sólo a los electrones en la banda de valencia que adquirieron suficiente energía de fuentes térmicas o luminosas para romper la banda covalente. Los vacíos que quedan en la estructura de enlace covalente representa un fuente muy limitada de huecos.
• El número de electrones sobrepasa por mucho al de huecos, por lo tanto en un material tipo n el electrón se llamada portador mayoritario y el hueco portador minoritario.
• En el material tipo p el número de huecos excede por mucho al de electrones, por consiguiente en un material tipo p, el hueco es portador mayoritario y el electrón el minoritario.