2.5: Electrones y “agujeros”

La figura siguiente (a) muestra cuatro electrones en la capa de valencia de un semiconductor formando enlaces covalentes a otros cuatro átomos. Esta es una versión aplanada, más fácil de dibujar, de la Figura anterior. Todos los electrones de un átomo están amarrados en cuatro enlaces covalentes, pares de electrones compartidos. Los electrones no son libres de moverse por la red cristalina. Así, los semiconductores intrínsecos puros son aislantes relativamente buenos en comparación con los metales.

(a) El semiconductor intrínseco es un aislante que tiene una capa completa de electrones. (b) Sin embargo, la energía térmica puede crear pocos pares de agujeros de electrones dando como resultado una conducción débil.

La energía térmica ocasionalmente puede liberar un electrón de la red cristalina como en la Figura anterior (b). Este electrón es libre para la conducción alrededor de la red cristalina. Cuando el electrón fue liberado, dejó un punto vacío con una carga positiva en la red cristalina conocida como agujero. Este agujero no está fijado a la celosía; sino, es libre de moverse. Tanto el electrón libre como el agujero contribuyen a la conducción alrededor de la red cristalina. Es decir, el electrón está libre hasta que cae en un agujero. Esto se llama recombinación. Si se aplica un campo eléctrico externo al semiconductor, los electrones y los agujeros conducirán en direcciones opuestas. Al aumentar la temperatura se incrementará el número de electrones y agujeros, disminuyendo la resistencia. Esto es opuesto a los metales, donde la resistencia aumenta con la temperatura al aumentar las colisiones de electrones con la red cristalina. El número de electrones y agujeros en un semiconductor intrínseco son iguales. Sin embargo, ambos portadores no necesariamente se mueven con la misma velocidad con la aplicación de un campo externo. Otra forma de afirmar esto es que la movilidad no es la misma para electrones y agujeros.

Los semiconductores puros, por sí mismos, no son particularmente útiles. Sin embargo, los semiconductores deben ser refinados a un alto nivel de pureza como punto de partida previo a la adición de impurezas específicas.

El material semiconductor puro a 1 parte en 10 mil millones, puede tener impurezas específicas agregadas a aproximadamente 1 parte por cada 10 millones para aumentar el número de portadores. La adición de una impureza deseada a un semiconductor se conoce como dopaje. El dopaje aumenta la conductividad de un semiconductor para que sea más comparable a un metal que a un aislante.

Es posible aumentar el número de portadores de carga negativa dentro de la red cristalina semiconductora dopando con un donador de electrones como Fósforo. Los donantes de electrones, también conocidos como dopantes tipo N incluyen elementos del grupo VA de la tabla periódica: nitrógeno, fósforo, arsénico y antimonio. El nitrógeno y el fósforo son dopantes tipo N para el diamante. El fósforo, el arsénico y el antimonio se utilizan con silicio.

La red cristalina de la Figura siguiente (b) contiene átomos que tienen cuatro electrones en la cubierta externa, formando cuatro enlaces covalentes a átomos adyacentes. Esta es la esperada celosía cristalina. La adición de un átomo de fósforo con cinco electrones en la capa externa introduce un electrón extra en la red en comparación con el átomo de silicio. La impureza pentavalente forma cuatro enlaces covalentes a cuatro átomos de silicio con cuatro de los cinco electrones, encajando en la red con un electrón sobrante. Tenga en cuenta que este electrón de repuesto no está fuertemente unido a la red como lo están los electrones de los átomos de Si normales. Es libre de moverse alrededor de la red cristalina, no estando ligada al sitio de la red de Fósforo. Como hemos dopado a una parte fósforo en 10 millones de átomos de silicio, se crearon pocos electrones libres en comparación con los numerosos átomos de silicio. Sin embargo, se crearon muchos electrones en comparación con los menos pares electrón-agujero en el silicio intrínseco. La aplicación de un campo eléctrico externo produce una fuerte conducción en el semiconductor dopado en la banda de conducción (por encima de la banda de valencia). Un nivel de dopaje más pesado produce una conducción más fuerte. Por lo tanto, un semiconductor intrínseco poco conductor se ha convertido en un buen conductor eléctrico.

(a) Configuración electrónica de la capa externa del donante de fósforo tipo N, silicio (para referencia) y aceptor de boro tipo P. (b) La impureza donadora de tipo N crea electrones libres (c) La impureza aceptora de tipo P crea agujero, un portador de carga positiva.

También es posible introducir una impureza que carece de un electrón en comparación con el silicio, teniendo tres electrones en la capa de valencia en comparación con cuatro para el silicio. En la Figura anterior (c), esto deja un lugar vacío conocido como agujero, un portador de carga positiva. El átomo de boro intenta unirse a cuatro átomos de silicio, pero sólo tiene tres electrones en la banda de valencia. Al intentar formar cuatro enlaces covalentes, los tres electrones se mueven tratando de formar cuatro enlaces. Esto hace que el agujero parezca moverse. Además, el átomo trivalente puede tomar prestado un electrón de un átomo de silicio adyacente (o más distante) para formar cuatro enlaces covalentes. Sin embargo, esto deja el átomo de silicio deficiente en un electrón. En otras palabras, el agujero se ha movido a un átomo de silicio adyacente (o más distante). Los agujeros residen en la banda de valencia, un nivel por debajo de la banda de conducción. El dopaje con un aceptor de electrones, un átomo que puede aceptar un electrón, crea una deficiencia de electrones, lo mismo que un exceso de agujeros. Dado que los agujeros son portadores de carga positiva, un dopante aceptor de electrones también se conoce como dopante de tipo P. El dopante tipo P deja el semiconductor con un exceso de agujeros, portadores de carga positiva. Los elementos tipo P del grupo IIIA de la tabla periódica incluyen: boro, aluminio, galio e indio. El boro se utiliza como dopante tipo P para semiconductores de silicio y diamante, mientras que el indio se usa con el germanio.

La analogía del “mármol en un tubo” a la conducción de electrones en la Figura siguiente relaciona el movimiento de los agujeros con el movimiento de los electrones. El mármol representa electrones en un conductor, el tubo. El movimiento de electrones de izquierda a derecha como en un hilo o semiconductor tipo N se explica por un electrón que ingresa al tubo por la izquierda forzando la salida de un electrón a la derecha. La conducción de electrones de tipo N ocurre en la banda de conducción. Compárelo con el movimiento de un agujero en la banda de valencia.

Analogía de mármol en un tubo: (a) Los electrones se mueven directamente en la banda de conducción cuando los electrones ingresan al tubo. (b) El agujero se mueve hacia la derecha en la banda de valencia mientras los electrones se mueven hacia la izquierda.

Para que un agujero entre a la izquierda de la Figura anterior (b), se debe eliminar un electrón. Al mover un agujero de izquierda a derecha, el electrón debe moverse de derecha a izquierda. El primer electrón es expulsado del extremo izquierdo del tubo para que el orificio pueda moverse hacia la derecha dentro del tubo. El electrón se mueve en la dirección opuesta al agujero positivo. A medida que el agujero se mueve más hacia la derecha, los electrones deben moverse a la izquierda para acomodar el agujero. El agujero es la ausencia de un electrón en la banda de valencia debido al dopaje tipo P. Tiene una carga positiva localizada. Para mover el agujero en una dirección dada, los electrones de valencia se mueven en la dirección opuesta.

El flujo de electrones en un semiconductor de tipo N es similar al de los electrones que se mueven en un cable metálico. Los átomos dopantes de tipo N producirán electrones disponibles para la conducción. Estos electrones, debido al dopante son conocidos como portadores mayoritarios, ya que están en la mayoría en comparación con los muy pocos agujeros térmicos. Si se aplica un campo eléctrico a través de la barra semiconductora de tipo N en la Figura siguiente (a), los electrones ingresan al extremo negativo (izquierdo) de la barra, atraviesan la red cristalina y salen a la derecha hacia el terminal de la batería (+).

(a) Semiconductor tipo N con electrones moviéndose de izquierda a derecha a través de la red cristalina. (b) Semiconductor tipo P con agujeros moviéndose de izquierda a derecha, lo que corresponde a electrones que se mueven en dirección opuesta.

El flujo de corriente en un semiconductor tipo P es un poco más difícil de explicar. El dopante tipo P, un aceptor de electrones, produce regiones localizadas de carga positiva conocidas como agujeros. El portador mayoritario en un semiconductor tipo P es el agujero. Mientras se forman agujeros en los sitios de átomos dopantes trivalentes, pueden moverse alrededor de la barra semiconductora. Tenga en cuenta que la batería de la Figura anterior (b) se invierte de (a). El terminal positivo de la batería está conectado al extremo izquierdo de la barra tipo P. El flujo de electrones sale del terminal negativo de la batería, a través de la barra tipo P, volviendo al terminal positivo de la batería. Un electrón que sale del extremo positivo (izquierdo) de la barra semiconductora para el terminal positivo de la batería deja un agujero en el semiconductor, que puede moverse hacia la derecha. Los agujeros atraviesan la celosía cristalina de izquierda a derecha. En el extremo negativo de la barra se combina un electrón de la batería con un agujero, neutralizándolo. Esto hace espacio para que otro agujero se mueva en el extremo positivo de la barra hacia la derecha. Tenga en cuenta que a medida que los agujeros se mueven de izquierda a derecha, que en realidad son los electrones moviéndose en la dirección opuesta los responsables del movimiento aparente del agujero.

Los elementos utilizados para producir semiconductores se resumen en la Figura siguiente. El germanio de material semiconductor a granel más antiguo del grupo IVA solo se usa de manera limitada en la actualidad. Los semiconductores a base de silicio representan aproximadamente el 90% de la producción comercial de todos los semiconductores. Los semiconductores a base de diamante son una actividad de investigación y desarrollo con un potencial considerable en este momento. Los semiconductores compuestos no listados incluyen germanio de silicio (capas delgadas en obleas de Si), carburo de silicio y compuestos III-V como arseniuro de galio. Los semiconductores compuestos III-VI incluyen: AlN, GaN, InN, AlP, AlS, AlSb, GaP, GaAs, GasB, InP, InAs, InSb, Al _x Ga _1-x As e In _x Ga _1-x As. Las columnas II y VI de la tabla periódica, no mostradas en la figura, también forman semiconductores compuestos.

Dopantes tipo P del grupo IIIA, materiales semiconductores básicos del grupo IV y dopantes tipo VA del grupo N.

La razón principal para la inclusión de los grupos IIIA y VA en la Figura anterior es mostrar los dopantes utilizados con los semiconductores del grupo IVA. Los elementos del grupo IIIA son aceptores, dopantes tipo P, que aceptan electrones dejando un hueco en la red cristalina, un portador positivo. El boro es el dopante tipo P para el diamante y el dopante más común para los semiconductores de silicio. El indio es el dopante tipo P para el germanio.

Los elementos del grupo VA son donantes, dopantes tipo N, produciendo un electrón libre. Nitrógeno y Fósforo son dopantes de tipo N adecuados para diamante. El fósforo y el arsénico son los dopantes tipo N más utilizados para el silicio; sin embargo, se puede usar antimonio.

Revisar

• Los materiales semiconductores intrínsecos, puros a 1 parte en 10 mil millones, son conductores pobres.
• El semiconductor tipo N está dopado con una impureza pentavalente para crear electrones libres. Tal material es conductor. El electrón es el portador mayoritario.
• El semiconductor tipo P, dopado con una impureza trivalente, tiene una abundancia de agujeros libres. Estos son portadores de carga positiva. El material tipo P es conductor. El agujero es el portador mayoritario.
• La mayoría de los semiconductores se basan en elementos del grupo IVA de la tabla periódica, siendo el silicio el más prevalente. El germanio es casi obsoleto. Se está desarrollando carbono (diamante).
• Los semiconductores compuestos como el carburo de silicio (grupo IVA) y el arseniuro de galio (grupo III-V) son ampliamente utilizados.