Aprendizaje básico de semiconductores

En esta publicación, aprendemos de manera integral sobre los principios de funcionamiento fundamentales de los dispositivos semiconductores y cómo funciona la estructura interna de los semiconductores bajo la influencia de la electricidad.

El valor de resistividad entre estos materiales semiconductores no tiene una característica de conductor completa ni un aislante completo, está entre estos dos límites.

Esta característica puede definir la propiedad semiconductora del material, sin embargo sería interesante saber cómo funciona un semiconductor entre un conductor y un aislante.

Resistividad

Según la ley de Ohm, la resistencia eléctrica de un dispositivo electrónico se define como la relación entre la diferencia de potencial a través del componente y la corriente que fluye a través del componente.

Ahora, el uso de la medición de resistencia puede plantear un problema, su valor cambia a medida que cambia la dimensión física del material resistivo.

Por ejemplo, cuando se aumenta la longitud de un material resistivo, su valor de resistencia también aumenta proporcionalmente.
Del mismo modo, cuando su espesor aumenta, su valor de resistencia disminuye proporcionalmente.

La necesidad aquí es definir un material que pueda indicar una propiedad de conducción u oposición a la corriente eléctrica independientemente de su tamaño, forma o apariencia física.

La magnitud para expresar este valor de resistencia particular se conoce como resistividad, que tiene el símbolo ρ, (Rho)

La unidad de medida de la resistividad es el ohmímetro (Ω.m), y puede entenderse como un parámetro inverso a la conductividad.

Para obtener las comparaciones entre las resistividades de varios materiales, estos se clasifican en 3 categorías principales: conductores, aisladores y semiconductores. El cuadro a continuación proporciona los detalles requeridos:

Como puede ver en la figura anterior, existe una diferencia insignificante en la resistividad de conductores como el oro y la plata, mientras que puede haber una diferencia significativa en la resistividad entre aisladores como el cuarzo y el vidrio.

Esto se debe a su respuesta a la temperatura ambiente que hace que los metales sean conductores enormemente eficientes que los aislantes.

Conductores

De la tabla anterior entendemos que los conductores tienen la menor cantidad de resistividad, que normalmente puede ser en microohmios / metro.

Debido a su baja resistividad, la corriente eléctrica es capaz de atravesarlos fácilmente, debido a la disponibilidad de una gran cantidad de electrones.

Sin embargo, estos electrones pueden ser empujados solo cuando hay una presión a través del conductor, y esta presión se puede formar aplicando un voltaje a través del conductor.

Por lo tanto, cuando se aplica un conductor con una diferencia de potencial positivo / negativo, los electrones libres de cada átomo del conductor se ven obligados a desprenderse de sus átomos originales y comienzan a desplazarse dentro del conductor, lo que generalmente se conoce como flujo de corriente. .

El grado en el que estos electrones pueden moverse depende de la facilidad con la que puedan liberarse de sus átomos, en respuesta a una diferencia de voltaje.

Los metales generalmente se consideran buenos conductores de electricidad, y entre los metales, el oro, la plata, el cobre y el aluminio son los mejores conductores ordenados.

Dado que estos conductores tienen muy pocos electrones en la banda de valencia de sus átomos, se desprenden fácilmente por una diferencia de potencial y comienzan a saltar de un átomo al siguiente átomo a través de un proceso llamado 'efecto dominó', lo que resulta en un flujo de corriente a través de el conductor.

Aunque el oro y la plata son los mejores conductores de electricidad, el cobre y el aluminio se prefieren para fabricar alambres y cables debido a su bajo costo y abundancia, y también a su robustez física.

A pesar de que el cobre y el aluminio son buenos conductores de electricidad, todavía tienen cierta resistencia, porque nada puede ser 100% ideal.

Aunque pequeña, la resistencia que ofrecen estos conductores puede volverse significativa con la aplicación de corrientes más altas. Finalmente, la resistencia a una corriente más alta en estos conductores se disipa en forma de calor.

Aisladores

A diferencia de los conductores, los aisladores son malos conductores de electricidad. Por lo general, se encuentran en forma de no metales y tienen muy pocos electrones libres o vulnerables con sus átomos originales.

Lo que significa que los electrones de estos no metales están estrechamente unidos con sus átomos originales, que son extremadamente difíciles de desalojar con la aplicación de voltaje.

Debido a esta característica, cuando se aplica voltaje eléctrico, los electrones no se alejan de los átomos, lo que da como resultado que no haya flujo de electrones y, por lo tanto, no se produce conducción.

Esta propiedad conduce a un valor de resistencia del aislante muy alto, del orden de muchos millones de ohmios.

Materiales como vidrio, mármol, PVC, plásticos, cuarzo, caucho, mica, baquelita son ejemplos de buenos aislantes.

Al igual que los conductores, los aisladores también juegan un papel importante en el campo de la electrónica. Sin aislante, sería imposible aislar las diferencias de voltaje entre las etapas del circuito, lo que provocaría cortocircuitos.

Por ejemplo, vemos el uso de porcelana y vidrio en torres de alta tensión para transmitir energía CA de manera segura a través de los cables. En los cables usamos PVC para aislar terminales positivos y negativos, y en PCB usamos baquelita para aislar las pistas de cobre entre sí.

Conceptos básicos de semiconductores

Los materiales como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el arseniuro de galio forman parte de los materiales semiconductores básicos. Esto se debe a que estos materiales tienen la característica de conducir la electricidad de manera intermedia, lo que no da lugar a una conducción adecuada ni a un aislamiento adecuado. Debido a esta propiedad, estos materiales se denominan semiconductores.

Estos materiales exhiben muy pocos electrones libres a través de sus átomos, que están estrechamente agrupados en un tipo de formación de red cristalina. Aún así, los electrones pueden desprenderse y fluir, pero solo cuando se emplean condiciones específicas.

Habiendo dicho esto, es posible mejorar la tasa de conducción en estos semiconductores introduciendo o sustituyendo algún tipo de átomos 'donantes' o 'aceptores' en el diseño cristalino, lo que permite la liberación de 'electrones libres' y 'huecos' adicionales o viceversa. al revés.

Esto se implementa introduciendo una cierta cantidad de un material externo al material existente como el silicio o el germanio.

Por sí mismos, los materiales como el silicio y el germanio se clasifican como semiconductores intrínsecos, debido a su naturaleza química extremadamente pura y la presencia de material semiconductor completo.

Esto también significa que, al aplicarles una cantidad controlada de impurezas, podemos determinar la velocidad de conducción en estos materiales intrínsecos.

Podemos introducir tipos de impurezas denominadas donantes o aceptores de estos materiales para mejorarlos con electrones libres o huecos libres.

En estos procesos, cuando se agrega una impureza a un material intrínseco en la proporción de 1 átomo de impureza por cada 10 millones de átomos de material semiconductor, se denomina como Dopaje .

Con la introducción de suficiente impureza, un material semiconductor podría transformarse en un material de tipo N o tipo P.

El silicio se encuentra entre los materiales semiconductores más populares, tiene 4 electrones de valencia en su capa más externa y también está rodeado por átomos adyacentes que forman un total de órbitas de 8 electrones.

La unión entre los dos átomos de silicio se desarrolla de tal manera que permite compartir un electrón con su átomo contiguo, lo que conduce a una buena unión estable.

En su forma pura, un cristal de silicio puede tener muy pocos electrones de valencia libres, lo que le atribuye las propiedades de un buen aislante, teniendo valores de resistencia extremos.

Conectar un material de silicio a una diferencia de potencial no ayudará a ninguna conducción a través de él, a menos que se cree algún tipo de polaridad positiva o negativa.

Y para crear tales polaridades, el proceso de dopaje se implementa en estos materiales agregando impurezas como se discutió en los párrafos anteriores.

Comprensión de la estructura del átomo de silicio

En las imágenes de arriba vemos cómo se ve la estructura de una red de cristal de silicio puro regular. Para la impureza, normalmente se introducen materiales como Arsénico, Antimonio o Fósforo dentro de los cristales semiconductores convirtiéndolos en extrínsecos, lo que significa 'que tienen impurezas'.

Las impurezas mencionadas están formadas por 5 electrones en su banda más externa conocida como impureza 'pentavalente', para compartir con sus átomos contiguos.
Esto asegura que 4 de los 5 átomos puedan unirse con los átomos de silicio contiguos, excluyendo un solo 'electrón libre' que puede liberarse cuando se conecta un voltaje eléctrico.

En este proceso, debido a que los átomos impuros comienzan a 'donar' cada electrón a través de su átomo cercano, los átomos 'pentavalentes' se denominan 'donantes'.

Uso de antimonio para el dopaje

El antimonio (Sb) y el fósforo (P) a menudo se convierten en la mejor opción para introducir impurezas 'pentavalentes' al silicio.

En Antimonio, 51 electrones están dispuestos en 5 capas alrededor de su núcleo, mientras que su banda más externa consta de 5 electrones.
Debido a esto, el material semiconductor básico puede adquirir electrones portadores de corriente adicionales, cada uno de los cuales tiene una carga negativa. Por lo tanto, se denomina 'material de tipo N'.

Además, los electrones se denominan 'Portadores mayoritarios' y los huecos que se desarrollan posteriormente se denominan 'Portadores minoritarios'.

Cuando un semiconductor dopado con antimonio se somete a un potencial eléctrico, los electrones que se desprenden son sustituidos instantáneamente por los electrones libres de los átomos de antimonio. Sin embargo, dado que el proceso eventualmente mantiene un electrón libre flotando dentro del cristal dopado, esto hace que sea un material cargado negativamente.

En este caso, un semiconductor puede denominarse tipo N si tiene una densidad de donantes mayor que su densidad de aceptor. Es decir, cuando hay una mayor cantidad de electrones libres en comparación con la cantidad de huecos, lo que provoca una polarización negativa, como se indica a continuación.

Comprensión de semiconductores tipo P

Si consideramos la situación a la inversa, introduciendo una impureza 'trivalente' de 3 electrones en un cristal semiconductor, por ejemplo, si introducimos aluminio, boro o indio, que contienen 3 electrones en su enlace de valencia, por lo tanto, se vuelve imposible formar un enlace 4º.

Debido a esto, una conexión completa se vuelve difícil, lo que permite que el semiconductor tenga muchos portadores cargados positivamente. Estos portadores se denominan 'huecos' en toda la red de semiconductores, debido a que faltan muchos electrones.

Ahora, debido a la presencia de agujeros en el cristal de silicio, un electrón cercano es atraído hacia el agujero, intentando llenar la ranura. Sin embargo, tan pronto como los electrones intentan hacer esto, dejan su posición creando un nuevo agujero en su posición anterior.

Esto, a su vez, atrae al siguiente electrón cercano, que nuevamente deja un nuevo agujero mientras intenta ocupar el siguiente. El proceso continúa dando la impresión de que en realidad los orificios se mueven o fluyen a través del semiconductor, que generalmente reconocemos como el patrón de flujo convencional de corriente.

A medida que los 'agujeros parecen moverse' da lugar a una escasez de electrones, lo que permite que todo el cristal dopado adquiera una polaridad positiva.

Dado que cada átomo de impureza se convierte en responsable de generar un agujero, estas impurezas trivalentes se denominan 'Aceptores' debido al hecho de que continúan aceptando electrones libres continuamente en el proceso.
El boro (B) es uno de los aditivos trivalentes que se usa popularmente para el proceso de dopaje explicado anteriormente.

Cuando se usa boro como material de dopaje, hace que la conducción tenga principalmente portadores cargados positivamente.
Esto da como resultado la creación de material de tipo P que tiene agujeros positivos denominados 'portadores mayoritarios', mientras que los electrones libres se denominan 'portadores minoritarios'.

Esto explica cómo un material de base semiconductor se convierte en un tipo P debido a una mayor densidad de sus átomos aceptores en comparación con los átomos donantes.

Cómo se usa el boro para el dopaje

Resumen de los conceptos básicos de los semiconductores

Semiconductor tipo N (dopado con una impureza pentavalente como el antimonio, por ejemplo)

Dichos semiconductores que están dopados con átomos de impurezas pentavalentes se denominan donantes, ya que muestran conducción a través del movimiento de electrones y, por lo tanto, se denominan semiconductores de tipo N.
En Semiconductor tipo N encontramos:

1. Donantes cargados positivamente
2. Abundante cantidad de electrones libres
3. Número relativamente menor de 'huecos' en comparación con los 'electrones libres'
4. Como resultado del dopaje, se crean donantes con carga positiva y electrones libres con carga negativa.
5. La aplicación de una diferencia de potencial da como resultado el desarrollo de electrones cargados negativamente y huecos cargados positivamente.

Semiconductor tipo P (dopado con una impureza trivalente como el boro, por ejemplo)

Dichos semiconductores que están dopados con átomos de impurezas trivalentes se denominan aceptores, ya que muestran conducción a través del movimiento de los orificios y, por lo tanto, se denominan semiconductores de tipo P.
En Semiconductor tipo N encontramos:

1. Aceptadores cargados negativamente
2. Abundante cantidad de agujeros
3. Número relativamente menor de electrones libres en comparación con la presencia de huecos.
4. El dopaje da como resultado la creación de aceptores con carga negativa y huecos con carga positiva.
5. La aplicación de un campo de voltaje provoca la generación de huecos con carga positiva y electrones libres con carga negativa.

Por sí mismos, los semiconductores de tipo P y N resultan ser eléctricamente neutros, naturalmente.
Comúnmente, el antimonio (Sb) y el boro (B) son los dos materiales que se emplean como miembros de dopaje debido a su abundante disponibilidad. Estos también se denominan 'mettaloides'.

Dicho esto, si observa la tabla periódica, encontrará muchos otros materiales similares que tienen 3 o 5 electrones en su banda atómica más externa. Implica que estos materiales también pueden volverse adecuados para el propósito de dopaje.
Tabla periódica