Materiales semiconductores

El silicio y el germanio son los únicos elementos que tienen aplicaciones prácticas como semiconductores. Sin embargo, gran variedad de compuestos cerámicos e intermetálicos presentan este mismo efecto.

Para facilitar su estudio, los derivados del silicio y el germanio se dividen en semiconductores intrínsecos y extrínsecos.

Los semiconductores intrínsecos se caracterizan por que subrecha de energía Eg entre las bandas de valencia y conducción es pequeña, y en consecuencia, algunos electrones poseen suficiente energía térmica como para saltar la brecha, entrando en la banda de conducción. Los electrones excitados dejan atrás niveles de energía desocupados, o huecos, en la banda de valencia. Cuando un electrón se mueve para llenar un hueco, se crea otro en la fuente original deeste segundo electrón, de forma que los espacios vacío parecen actuar como "electrones" de carga positiva y portadores de carga eléctrica.. Cuando se aplica un voltaje eléctrico al material, los electrones de la banda de conducción se aceleran hacia la terminal positiva., en tanto que los huecos de la banda de valencia se mueven hacia a terminal negativa., Por lo tanto se conduce la corrientemediante el movimiento de electrones y de huecos.

La conductividad queda determinada por el número de pares electrón hueco.

s = neqm e + nhqm h

donde ne es el número de electrones en la banda de conducción, nh es el número de huecos en la banda de valencia y m e y m h son las movilidades de electrones y de huecos. En el caso de los conductores intrínsecos:

n = ne = nh

Por tanto, laconductividad es:

s = neq(m e + m h )

Al controlar la temperatura, se controla el número de portadores de carga por lo mismo, la conductividad eléctrica. En el cero absoluto, todos los electrones están en la banda de valencia, así que todos los niveles de la banda de conducción se hallan desocupados.

Conforme aumenta la temperatura, hay mayores probabilidades de que se ocupe un nivel deenergía en la banda de conducción, de forma que existen idénticas probabilidades de que se desocupe un nivel en la banda de valencia. El número de electrones en la banda de conducción, que es igual al número de huecos en la banda de valencia, está dado por:

n = ne = nh = no exp - (Eg/2kT)

donde no se puedeconsiderar como constante, aunque de hecho también depende de la temperatura. Temperaturas más elevadas permiten que más electrones crucen la zona prohibida y, por tanto se incrementa la conductividad:

s = neq(m e + m h ) exp - (Eg/2kT)

El comportamiento del semiconductor es opuesto al de los metales, ya que conforme aumenta la temperatura se incrementa la conductividad, por que están presentesmás portadores de carga., en tanto que en el metal la conductividad se reduce, debido a la menor movilidad de sus portadores de carga.

Si se retira la fuente de energía o voltaje de excitación, se vuelven a combinar los huecos y los electrones después de cierto periodo de tiempo. El número de electrones en la banda de conducción se reduce con una rapidez dada por:

n = no exp - (t/t)donde t es el tiempo después de haber eliminado el campo, no es una constante y t es una constante conocida como tiempo de recombinación.

En vista de que pequeñas variaciones de temperatura pueden afectar el comportamiento de un semiconductor intrínseco, se puede agregar una pequeña cantidad de impurezas (dopado), para producir un semiconductor extrínseco. La conductividad de este semiconductordependerá principalmente del número de átomos de impureza (dopantes), y en un rango especifico de temperatura incluso ser independiente de esta.

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