MATERIALES SEMICONDUCTORES: INTRÍNSECOS y EXTRÍNSECOS (TIPO P Y TIPO N)

    La idea de esta entrada es complementar, profundizar y servir como punto de partida para comenzar a tratar temas mas profundos en relación a electrónica. 

    Comenzamos tratando el tema anteriormente en el Blog en la entrada conductores, semiconductores y aislantes

 Semiconductores
    Algunos elementos, como  el silicio y el germanio, tienen cuatro electrones de valencia y para formar su estructura comparten estos electrones con electrones de átomos próximos (figura 1.18). Este tipo de enlace se denomina enlace covalente y proporciona fuerzas atractivas muy fuertes entre los diferentes átomos. 

    Ver Tabla Periódica Interactiva para mayor información sobre estos y otros elementos.

     Semiconductores Intrínsecos

    Se llama así a los materiales semiconductores puros y sin agregado de algún otro material. 

        Pertenecen al Grupo IV (en la Tabla Periódica Interactiva  figura como Grupo 14) de arriba hacia abajo tenemos: Carbono, Silicio, Germanio, Estaño y Plomo, todos materiales muy usados en electrónica. Pero los dos grandes protagonistas, en cuanto semiconductores, siempre han sido el Germanio y el Silicio y, actualmente, el último mencionado es el mas empleado.

    Comportamiento:  Al aumentar la temperatura en estos materiales se rompen algunos de estos enlaces y quedan electrones libres; por lo tanto, se convierten en conductores en determinadas circunstancias. Su conductividad dependerá del número de electrones libres existentes.

 

  Pues vemos que la banda de conducción, si bien no es tan cercana como en el caso de los metales, se encuentra relativamente cerca de la banda de valencia y por lo tanto se necesita muy poca energía para que el electrón se mueva hasta ella, por ejemplo un poco de calor suministrado por el sol u otra fuente de calor.

                                     

    Conductividad en semiconductores intrínsecos 

    Podemos ver que los electrones y huecos se desplazan en sentidos contrarios, la aparición de huecos y electrones libres, que son justamente los que permiten la conductividad, depende justamente de la temperatura a la cual se encuentre el material.

Ver Tabla Periódica Interactiva para mayor información.

VER Blog: teoriadebandas  

    Semiconductores Extrínsecos

    Se llama así a los materiales semiconductores no puros y a los cuales se les ha agregado cierta cantidad de algún otro material para cambiar sus propiedades.  Al agregado de esos materiales se lo denomina dopaje o dopping y dependiendo de que material se usen obtendremos Tipo P y Tipo N.

    Material Tipo P

   Si partimos de que el Silicio puro forma una estructura cristalina en la cual los átomos se entrelazan entre si gracias a enlaces covalentes, podriamos agregar a su estructura elementos del grupo III (grupo 13 en la Tabla Periódica Interactiva ): Boro, Aluminio, Galio, Indio, Talio.      

    Esos elementos poseen 3 electrones de valencia. 

    Si tomamos el caso Boro (B), al ser incluido dentro de la estructura del Silicio, formará enlaces pero, al ser trivalente, faltará un electrón para lograr los mismos enlaces que cualquier otro átomo de Silicio, es decir, que en la estructura quedarán faltantes de electrones o huecos y justamente la denominación técnica es hueco o portador mayoritario del material tipo P.

   Comportamiento: al ser los huecos los portadores mayoritarios, estos están disponibles para que un electrón ocupe ese lugar. De ocurrir que un electrón ocupe uno de los huecos, dicho electrón casi de inmediato saltará a un nuevo hueco que se halle en sus proximidades dejando así los huecos de nuevo disponibles. El movimiento de los huecos ocurre gracias al movimiento de electrones desde la banda de valencia.

   Material Tipo N

   Si partimos de que el Silicio puro forma una estructura cristalina en la cual los átomos se entrelazan entre si gracias a enlaces covalentes, podriamos agregar a su estructura elementos del grupo V (grupo 15 en la Tabla Periódica Interactiva ): Nitrógeno, Fósforo, Arsénico, Antimonio, Bismuto. 

    Esos elementos poseen 5 electrones de valencia. 

    Si tomamos el caso Fósforo (P), al ser incluido dentro de la estructura del Silicio, formará enlaces pero, al ser pentavalente, sobrará un electrón al formar los mismos enlaces que cualquier otro átomo de Silicio, es decir, que en la estructura quedarán sobrantes de electrones (electrones libres) y justamente la denominación técnica es electrón libre o portador mayoritario del material tipo N.

 Comportamiento: al ser los electrones los portadores mayoritarios, estos pueden moverse fácilmente a la banda de conducción dejando su posición libre para que un nuevo electrón ocupe su lugar.

    VER Blog: teoriadebandas  

Bandas en Semiconductores Dopados

    La aplicación de la teoría de bandas a los semiconductores de tipo n y tipo p muestra que los niveles adicionales se han añadido por las impurezas. En el material de tipo n hay electrones con niveles de energía cerca de la parte superior de la banda prohibida, de modo que pueden ser fácilmente excitados hacia la banda de conducción. En el material de tipo p, los huecos adicionales en la banda prohibida, permiten la excitación de los electrones de la banda de valencia, dejando huecos móviles en la banda de valencia.

    Los niveles de Fermi son niveles adicionales que aparecen debido a la existencia de elementos dopantes.

    Resumen: el dopado para obtener semiconductores extrínsecos es realizado con el objetivo de favorecer el comportamiento conductor de los semiconductores intrínsecos, no obstante lo mas interesante sucede cuando unimos ambos tipos de semiconductores (TIPO P Y TIPO N).

    No dejen de visitar una muy buena fuente de información de la cual me he servido también pare este post: Hyperphysics

Vídeo complementario de un colega

Fuentes

• Nave, C., 2021. HyperPhysics. [online] Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Available at: <http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/hframe.html> [Accessed 24 September 2021].
• San Miguel, P., 2014. Electrónica. 2nd ed. Madrid: Paraninfo, pp.100,101,102,103.