principio de los semiconductores

CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Y FOTÓNICOS
TEMA 4. PRINCIPIOS FÍSICOS DE LOS SEMICONDUCTORES.
4.1 INTRODUCCIÓN
Las características físicas que permiten distinguir entre un aislante, un
semiconductor y un metal están determinadas por la estructura atómica, molecular y
cristalina de los diferentes materiales.
De acuerdo con el modelo
atómico de Rutherford, el átomo
está compuesto porun núcleo y una
corteza. La corteza está compuesta
por electrones que giran en órbitas
circulares alrededor del núcleo.
Sabemos que los electrones que
constituyen la corteza de un átomo
sólo pueden poseer determinadas
energías discretas (lo que se recoge
en el primer postulado de Bohr). De
acuerdo con este postulado, los
electrones se mueven en ciertas
órbitas permitidas alrededor delnúcleo sin emitir energía, de forma que E   1 / r 2 ,
siendo E la energía de la órbita y r el radio de dicha órbita.
Cada nivel de energía u órbita (también denominado estado cuántico) sólo
puede ser ocupado por un electrón (Principio de exclusión de Pauli), y éstos ocupan
siempre los estados más bajos o inferiores de energía. Los diferentes niveles posibles de
energía vienen definidos porcuatro números cuánticos1 y se encuentran perfectamente
determinados en un átomo aislado. Los electrones van ocupando estos niveles de
energía empezando por los niveles más bajos (de acuerdo con la Fig. 4.1, se empezaría
con el nivel de mínima energía 1 y subnivel s).
4.1.1

Bandas de energía en sólidos

Cuando dos átomos están muy próximos, por ejemplo en los sólidos, hay
interacciónentre los niveles de energía de los electrones cercanos, dando lugar, por el
principio de exclusión de Pauli, a desdoblamientos de los niveles de energía, que
comienzan por las órbitas superiores.
En la Figura 4.2, se ilustra el desdoblamiento de niveles de las subcapas d y p,
en función de la distancia entre los átomos:
1

Número cuántico principal, que indica la distancia entre el núcleo yel electrón (nivel energético);
número cuántico secundario, que indica la forma de los orbitales en los que se encuentra el electrón
(subnivel); número cuántico magnético, que indica la orientación espacial del subnivel de energía; y
número cuántico de spin, que indica el sentido de giro del campo magnético que produce el electrón al
girar sobre su eje.
APUNTES DE TEORÍA DE TE (2010/2011)BRÉGAINS, CASTRO, IGLESIA, LAMAS

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TEMA 04: PPIOS. FÍSICOS DE LOS SEMICOND.

Fig. 4.2
d0: Distancia a la cual los átomos no tienen influencia entre sí y los niveles no se
desdoblan (gases).
d1: Distancia entre átomos que produce desdoblamiento de niveles, pudiendo
encontrarse los electrones en las bandas permitidas AB y CD, pero no en la
banda prohibida BC. Este saltodisminuye conforme la distancia interatómica
disminuye.
d2: Distancia a la cual la superposición de niveles da lugar a una única banda
permitida EF.
Cuando el número de átomos que interaccionan por su proximidad es muy
grande se produce un número tan elevado de niveles que da lugar a la formación de
bandas de energía continuas, por lo que se puede ignorar el carácter discreto de los
niveles.
Ala banda de energía formada por los electrones de la última capa (también
denominados electrones de valencia) que tiene todos o casi todos los subniveles
ocupados se le llama Banda de Valencia (BV). Para que exista conducción en esta
banda han de existir subniveles desocupados (huecos).

(a)

APUNTES DE TEORÍA DE TE (2010/2011)

(b)
Fig. 4.3

(c)

BRÉGAINS, CASTRO, IGLESIA, LAMASPÁG. 3 DE 10

TEMA 04: PPIOS. FÍSICOS DE LOS SEMICOND.

A la banda de energía formada por los electrones libres que tiene todos o casi
todos los subniveles vacíos se le llama Banda de Conducción (BC). Para que exista
conducción en esta banda han de existir subniveles ocupados (electrones libres).
En los materiales aislantes (Fig. 4.3.a), la BC está vacía (es decir, no existen
electrones...