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Nombre: Armando Fonseca NRC: 5056 Fecha: 03/01/2020

SEMICONDUCTORES 1. HISTORIA La historia de los semiconductores comienza en su utilización con fines técnicos, se utilizaron como pequeños detectores diodos y se emplearon a principios del siglo XX, en los radio receptores de esa época. En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, realizó un descubrimiento que se basaba en que si a ciertos cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares. En 1947 William Shockley, investigador también de los Laboratorios Bell y Walter Houser Brattain, junto a John Bardeen, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica moderna. Algunos semiconductores, como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esta propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en Electrónica Digital, entre otras. La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente también aumenta, disminuyendo la conductividad.

Todo lo contrario, ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad también aumenta. Podemos decir que la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando diferentes métodos como: La elevación de su temperatura Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina Incrementando la iluminación.

2. CARACTERÍSTICAS  Los semiconductores reales o puros no contienen electrones libres a bajas temperaturas (y con baja aplicada).  Los electrones periféricos en un semiconductor pueden ser liberados mediante la aplicación de altas temperaturas, altos voltajes o ambos.  Los Únicos elementos semiconductores puros son carbono, germanio y silicio.  Su respuesta (conductor o aislante) puede variar dependiendo de la sensibilidad del elemento a la iluminación, campos eléctricos y campos magnéticos del entorno.  Si el semiconductor está sometido a una baja temperatura, los electrones se mantendrán unidos en la banda de valencia y, por ende, no surgirán electrones libres para la circulación de corriente eléctrica.  En cambio, si el semiconductor es expuesto a temperaturas elevadas, la vibración térmica puede afectar la solidez de los enlaces covalentes de los átomos del elemento, con lo cual quedan electrones libres para la conducción eléctrica.  La conductividad de los semiconductores varía dependiendo de la proporción de impurezas o elementos dopantes dentro de un semiconductor intrínseco.  La conductividad de los semiconductores varía en un intervalo entre 1 y 106 S.cm-1, dependiendo del tipo de elemento químico empleado.  Los semiconductores compuestos o extrínsecos pueden presentar propiedades ópticas y eléctricas considerablemente superiores a las propiedades de los semiconductores intrínsecos.

3. TIPOS 

SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS

Son aquellos elementos cuya estructura molecular está conformada por un solo tipo de átomo. Entre este tipo de semiconductores intrínsecos se encuentra el silicio y el germanio. Cada átomo de un semiconductor intrínseco tiene 4 electrones de valencia; es decir, 4 electrones orbitando en la capa más externa de cada átomo. A su vez, cada uno de estos electrones forma enlaces con los electrones adyacentes. De esta forma, cada átomo cuenta con 8 electrones en su capa más superficial, con lo cual se forma una sólida unión entre los electrones y los átomos que conforman la red cristalina. Debido a esta configuración, los electrones no se desplazan fácilmente dentro de la estructura. Así, en condiciones estándares, los semiconductores intrínsecos se comportan como un aislante. No obstante, la conductividad del semiconductor intrínseco sube siempre que aumente la temperatura, ya que algunos electrones de valencia absorben energía calorífica y se separan de los enlaces. Estos electrones se convierten en electrones libres y, si son direccionados adecuadamente mediante una diferencia de potencial eléctrico, pueden contribuir a la circulación de corriente dentro de la red cristalina. En este caso, los electrones libres saltan a la banda de conducción y se dirigen al polo positivo de la fuente de potencial (una pila, por ejemplo). El movimiento de los electrones de valencia induce un vacío en la estructura molecular, lo cual se traduce en un efecto similar al que produciría una carga positiva en el sistema, por lo que se consideran como portadores de carga positiva. Entonces, se produce un efecto inverso, ya que algunos electrones pueden caer desde la banda de conducción hasta la capa de valencia liberando energía en el proceso, lo cual recibe el nombre de recombinación. 

SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS

Se conforman al incluir impurezas dentro de los conductores intrínsecos; es decir, mediante la incorporación de elementos trivalentes o pentavalentes. Este proceso se conoce como dopaje y tiene como finalidad aumentar la conductividad de los materiales, para mejorar las propiedades físicas y eléctricas de estos. Al sustituir un átomo de semiconductor intrínseco por un átomo de otro componente se pueden obtener dos tipos de semiconductores extrínsecos.

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SEMICONDUCTOR TIPO P

En este caso, la impureza es un elemento semiconductor trivalente; es decir, con tres (3) electrones en su capa de valencia. Los elementos intrusos dentro de la estructura reciben el nombre de elementos dopantes. Ejemplos de estos elementos para los semiconductores tipo P son el boro (B), el galio (Ga) o el indio (In). Al carecer de un electrón de valencia para formar los cuatro enlaces covalentes de un semiconductor intrínseco, el semiconductor tipo P tiene un vacío en el enlace faltante. Lo anterior hace propicio el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina a través de ese hueco portador de carga positiva. Debido a la carga positiva del hueco del enlace, este tipo de conductores se denomina con la letra “P” y, en consecuencia, se reconocen como aceptadores de electrones. El flujo de electrones por los huecos del enlace produce una corriente eléctrica que circula en sentido contrario a la corriente derivada de los electrones libres. 

SEMICONDUCTOR TIPO N

El elemento intruso en la configuración viene dado por elementos pentavalentes; es decir, aquellos que cuentan con cinco (5) electrones en la banda de valencia. En este caso, las impurezas que son incorporadas al semiconductor intrínseco son elementos como el fósforo (P), el antimonio (Sb) o el arsénico (As). Los dopantes tienen un electrón de valencia adicional que, al no tener un enlace covalente al cual unirse, queda libre automáticamente para desplazarse a través de la red cristalina. Aquí, la corriente eléctrica circula a través del material gracias al excedente de electrones libres proporcionado por el dopante. Por ende, los semiconductores tipo N son considerados donadores de electrones.

4. FABRICACIÓN

Se fabrica mediante un proceso que se conoce como dopado. El dopado consiste en introducir impurezas dentro de cristales de un material base durante su formación. Los materiales más comunes utilizados como bases son el Germanio (Ge) y el Silicio (Si).

En las plantas productoras de semiconductores, se inicia un crecimiento de cristales de Germanio, y mientras éstos crecen son expuestos a dosis controladas de Arsénico (As). El Arsénico se introduce en los cristales y les provoca un efecto de carga eléctrica: como el átomo de Arsénico posee cinco electrones y el de germanio solo cuatro, existe una carga resultante negativa en el cristal. El material resultante se conoce como Germanio N (N=negativo). En el caso del Silicio, se puede utilizar Fósforo (P), para producir un efecto similar que da como resultado el Silicio N. Si en vez de crear una carga negativa se quiere crear una carga positiva, el material se expone a Galio (Ga) en el caso del Germanio, o a Boro (B) en el caso del Silicio. Esto produce Germanio P y Silicio P. La diferencia fundamental en estos materiales dopados es que poseen una carga eléctrica positiva o negativa. Como vimos en el capítulo de electricidad, la materia en su estado normal es eléctricamente neutra (posee carga cero). Esta carga que se les da nos permite lograr efectos eléctricos bastante interesante y útiles.

Bibliografía: https://www.ecured.cu/Semiconductores https://es.slideshare.net/chardspv/los-semiconductores-41297651 https://www.lifeder.com/semiconductores/