Materiales semiconductores

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MATERIALES SEMICONDUCTORES
La mayor parte de los dispositivos electrónicos modernos están fabricados a partir de semiconductores. Para comprender el funcionamiento de estos dispositivos cuando se insertan en un circuito eléctrico, es necesario conocer el comportamiento de los componentes desde un punto de vista físico. Por ello, en este tema se presentan las propiedades y característicasfundamentales de este tipo de materiales.
Si los conductores son materiales que disponen de electrones libres y los aislantes carecen de ellos, los semiconductores se encuentran en una situación intermedia: a la temperatura de 0 K se comportan como aislantes, pero mediante una aportación de energía puede modificarse esta situación, adquiriendo un comportamiento más cercano al de los conductores.
Losmateriales semiconductores de uso común en la tecnología microelectrónica son el silicio, el germanio y el arseniuro de galio. Se trata de elementos del grupo IV de la tabla periódica, o bien combinaciones de elementos de los grupos III y V. De todos ellos, el más empleado actualmente es el silicio, por lo que la discusión en este tema va a estar centrada en dicho elemento. No obstante la granmayoría de lo aquí expuesto puede aplicarse a cualquier semiconductor.
1 ESTRUCTURA DEL SILICIO
El silicio es un elemento con una gran cantidad de aplicaciones. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (después del oxígeno) con un porcentaje en peso del 25,7%. Está presente en multitud de materiales, tan diversos como la arena, la arcilla, el vidrio o el hueso. El silicio puro nose encuentra en la naturaleza, pero bajo las condiciones adecuadas pueden obtenerse en forma de estructuras monocristalinas. En éstas los átomos se disponen según una red tipo diamante con simetría cúbica, en donde cada átomo forma enlaces covalentes con otros cuatro adyacentes. Así todos los átomos tienen la última órbita completa con ocho electrones (Figura 1).

Figura 1: Estructura cristalinadel silicio puro
En la figura se aprecia que todos los electrones de valencia están asociados a un enlace covalente. Por tanto, al no existir portadores libres, el silicio puro y monocristalino a 0 K se comporta como un material aislante.
2 PORTADORES DE CARGA. EL ELECTRON Y EL HUECO
En los materiales conductores la circulación de corriente es posible gracias a la existencia de electroneslibres. En los semiconductores también son los electrones los responsables de la corriente. Sin embargo, puesto que en este caso provienen de un enlace covalente y no de una nube electrónica, el fenómeno es más complejo, y para su explicación se introduce un nuevo portador de carga ficticio: el hueco.
2.1 GENERACION TERMICA DE PORTADORES. EL ELECTRON Y EL HUECO
Si se eleva la temperatura delmonocristal de silicio por encima de 0 K, parte de la energía térmica permite liberar alguno de los electrones. Ello produce dos efectos:
1. Aparece un electrón libre capaz de moverse a través de la red en presencia de un campo eléctrico.
2. En el átomo al que se asociaba el electrón aparece un defecto de carga negativa, es decir, una carga positiva, que se denomina hueco.
Globalmente, elcristal mantiene la neutralidad eléctrica, ya que no ha ganado ni perdido cargas. Cuando se producen electrones libres en un semiconductor únicamente por agitación térmica, existen huecos y electrones en números iguales, porque cada electrón térmicamente excitado deja detrás de sí un hueco. Un semiconductor con un número igual de huecos y electrones se denomina intrínseco.
Recapitulando, lossemiconductores se diferencian:
* de los aislantes: La energía para liberar un electrón es menor en el semiconductor que en el aislante. Así a temperatura ambiente el primero dispone ya de portadores libres.
* de los conductores: Los semiconductores poseen dos tipos de portadores de carga: el electrón y el hueco.
En el caso del silicio puro monocristalino, el número de portadores libres a...
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