fundamentos de los semiconductores

CAPÍTULO II
FUNDAMENTOS DE LOS SEMICONDUCTORES
II.1 Introducción.
Resulta imposible entender los mecanismos básicos de las propiedades de una celda solar si antes no se tiene idea de cómo funciona el dispositivo que la caracteriza: la unión p-n. La comprensión de la unión p-n, requiere el conocimiento de las propiedades básicas de los semiconductores que la constituyen y el conocimiento delas propiedades generales de los sólidos. Esta cadena de conocimientos necesarios implica que si pretendemos entender los mecanismos de una celda solar fotovoltaica, es necesario contar con las herramientas de conocimientos que las sustentan. Por esta razón, se hace imprescindible el estudios de estas propiedades, que facilite la comprensión general de cómo funciona una celda solar fotovoltaica. Almismo tiempo trataremos de que este estudio se desarrolle de una manera cualitativa, evitando en lo posible la utilización de un exceso de algoritmos matemáticos.
II.2 Conductores, semiconductores y aislantes.
Las sustancias químicas están compuestas de átomos individuales específicos que se enlazan entre sí, ya sea cediendo o compartiendo los electrones de valencia. Las sustancia químicas sonvariopintas; elementos como el oxígeno, el nitrógeno, compuestos esenciales como el agua hasta sustancias tan complicadas como las proteínas y los polímeros. En el presenta capitulo se estudiaran átomos agrupados de forma regular creando una estructura periódica, es decir, una red cristalina. La estructura de diversos cristales es la de arreglos de átomos en figuras geométricas volumétricas que serepiten en forma periódica, como se ilustra en la figura II.1. Recordemos que un átomo individual está constituido por un núcleo formado de protones, partículas con carga positiva y de neutrones, partículas con carga positiva y de neutrones, partículas con carga neutra. El número de electrones es diferente para cada átomo especifico. Los electrones se encuentran en movimiento y son caracterizadospor sus niveles de energía.


Figura II.1 Distribución de átomos de silicio en una red cristalina.

La característica de los enlaces determina las propiedades físicas y químicas del cristal. Los niveles de energías de los electrones son parámetros esenciales para conocer su movimiento en la red cristalina. Los electrones de valencia que rodean cada átomo en un cristal se encuentrancompartidos con otros electrones de otro átomo, y como ya se expresó, cada átomo se encuentra rodeado de los electrones de valencia. Los electrones enlazados al átomo se mueven en torno a este, conllevando a que los electrones estén localizados en una región cercana al átomo. Estos electrones de valencia enlazados poseen una energía característica que no cambia y que los hace ligados al átomo; no son estosentonces electrones libres, pero pueden participar en la conducción eléctrica en la absorción de fotones, procesos básicos en el funcionamiento de una celda solar.
Solo a la temperatura del cero absoluto todos los electrones de valencia se encuentran perfectamente enlazados entre sí a los átomos, Cuando la temperatura se eleva, los electrones ganan en energía térmica provocando que los electronesoscilen con mayor amplitud, causando que algunos electrones no soporten estas vibraciones y puedan escapar del enlace que los mantiene unidos a los átomos, convirtiéndose en electrones libres que participan en la conducción eléctrica e interactúan con la luz incidente. Dependiendo de la energía propia que se necesita en cada cristal para que un electrón de valencia pueda estar libre del enlace,estos se dividen en conductores, semiconductores y aislantes.
Los conductores son cristales que poseen gran número de portadores de carga debido al débil efecto que ejercen los núcleos atómicos sobre los electrones de valencia, liberándose estos del enlace a relativamente bajas temperaturas. Al aplicar un campo eléctrico externo aparece una corriente eléctrica que fluye a través del cristal. En...