Conductividad

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Para presentar los semiconductores, es útil empezar revisando los conductores. Hay dos perspectivas desde las que se puede explorar la conducción: 1) podemos centrarnos en los dispositivos y, por tanto, interesarnos en características del volumen de información (voltaje, resistencia, etc.), o 2) Podemos centrarnos en los materiales, tomando así un punto de vista microscópico, entérminos de campo eléctrico, densidad de corriente, etc. Primero, consideraremos los materiales de los semiconductores, así que la segunda perspectiva es más adecuada. Después presentaremos dispositivos compuestos por semiconductores.

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Las propiedades eléctricas CC de los materiales se pueden expresar en términos de conductividad, que es lo contrario de resistividad y seexpresa en Siemens (o mho/m). El gráfico de la derecha muestra el rango de conductividades para materiales comunes. Aquí nos interesaremos principalmente en el silicio, que es muy mal conductor.

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Las propiedades de conducción de un material puro se pueden relacionar directamente con la estructura de sus electrones. Como recordará de sus clases de química y física, la estructura delelectrón se compone de una serie de niveles de energía que éstos llenan sistemáticamente. Un metal tiene una banda parcialmente llena de niveles de energía, lo que permite que los electrones se muevan libremente entre ellos y, por lo tanto, por todo el material. Un aislante tiene una banda completamente llena y, por lo tanto, una gran separación energética antes de la siguiente banda vacía másbaja. Los electrones sólo se pueden mover si adquieren la energía necesaria para saltar hasta ese conjunto de niveles vacíos. Cuanto mayor es la separación energética, más difícil es que lo consigan y, por lo tanto, mejor es el aislante. Los semiconductores tienen bandas llenas, como los aislantes pero con una separación de banda con los niveles vacíos más bajos relativamente pequeña. Así, algunoselectrones pueden alcanzar la energía necesaria para tener movilidad. Por supuesto, la energía media de un electrón es una función de temperatura, y por lo tanto la conductividad es una función de temperatura.

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El silicio es un material excelente para su aplicación como semiconductor. Al principio la conducción es bastante baja para el silicio puro. No es cero, por lo común sepuede pensar en él como un conjunto de átomos con enlaces covalentes. Además, se puede purificar mucho, para que cualquier impureza que se le añada intencionadamente pueda dominar fácilmente efectos no intencionados. Por último, aunque el silicio puro es mal conductor, el dióxido de silicio (cristal) es un excelente aislante. La mayor parte de las ventajas del uso del silicio están vinculadas con elprocesamiento extremadamente preciso que se ha desarrollado durante los últimos 50 años.

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La conductividad intrínseca del silicio se presenta en dos tipos: El movimiento de los electrones. Y el movimiento de los huecos (zonas vacías que aguardan un electrón). Como analogía, se puede pensar en los átomos como una fila de cubos, y en los electrones como pelotas metidas en ellos.Si hay muchos cubos vacíos y sólo unas pocas pelotas, se puede llevar un registro de la distribución con sólo apuntar la ubicación de las pelotas. Por otra parte, si hay muchas pelotas y sólo unos cuantos cubos vacíos, será más eficaz tomar nota de qué cubos están vacíos que intentar llevar un registro de todas las pelotas. Sin embargo, en los dos casos son las pelotas las que se mueven. Nótesetambién que, dado que los electrones están en movimiento, si no hay muchos huecos y se produce un movimiento aparente de uno de ellos, tendrán que moverse muchos electrones, por lo que no es de extrañar que la movilidad de los huecos sea más baja que la de los electrones. Es evidente que para comprender esto completamente es necesaria la mecánica cuántica, por lo que es mejor no fijar demasiado...