Semiconductores

Los semiconductores son materiales que no son ni buenos conductores, ni buenos aislantes; se encuentran entre estos dos. Los semiconductores son elementos que tienen 4 electrones en su última órbita. Los materiales mas comunes son el silicio y el germanio, los cuales en estado puro son buenos aisladores. Estos, tratados químicamente, se convierten en semiconductores, y son utilizados en la fabricación de componentes electrónicos, como ser diodos, transistores, circuitos integrados, etc.

Formación del semiconductor

La estructura cristalina de los elementos semiconductores está formada por uniones covalentes entre sus átomos. Esto quiere decir que cada electrón comparte la última órbita con su vecino. En el siguiente esquema vemos el cuerpo simplificado de un material en estado puro, tal como el germanio (Ge) o el silicio (Si).
Cada átomo tiene 4 electrones en su última órbita y están representados por signos negativos. El núcleo y el resto de las órbitas están representados con un círculo.

El cristal de silicio se contamina intencionalmente con otros materiales, por ejemplo, fósforo y antimonio, donde sus átomos tienen en su última órbita 5 electrones. Al producirse los enlaces covalentes, queda un electrón sobrante, el cual se lo denomina “libre” ya que se puede mover fácilmente a través del material.

Los materiales semiconductores con exceso de electrones se los denomina tipo N.

Otros dos elementos comúnmente utilizados para la impurificación de los cristales de silicio y fabricación de semiconductores, son el boro y el indio. Estos elementos tienen solamente tres electrones en su última órbita. Al formarse los enlaces covalentes, esto origina la falta de un electrón. Esta falta de electrón se llama “hueco” y equivale a una carga eléctrica positiva.

Los materiales semiconductores que carecen de electrones libres son llamados tipo P.

Para comprender el comportamiento de los semiconductores hay que considerar a estos huecos como portadores de cargas positivas capaces de circular al igual que los electrones libres lo hacen con las cargas negativas. Los huecos pasan de un átomo a otro, intercambiándose junto con los electrones libres.

Funcionamiento

Desplazamiento de electrones en un material tipo N:

En la siguiente figura vemos la circulación de los electrones en un material tipo N alimentado por medio de una fuente de corriente continua. Esta tensión genera una corriente a través del semiconductor, la cual puede circular gracias a los electrones en exceso existentes en el mismo.

Desplazamiento de electrones en un material tipo P:

El sentido de circulación de los huevos es el que se toma como convencional en los circuitos eléctricos.
En la figura vemos el sentido de desplazamiento de los huecos en el material P, representado por una flecha. El desplazamiento de los huecos hace circular una corriente a través del material.

Este movimiento no es muy sencillo de producir ya que solamente se produce en materiales semiconductores.
A continuación veremos como se genera el desplazamiento.

El positivo, en la imagen 1, atrae a los electrones (cargas de signo contrario se atraen) y de igual modo, el negativo del extremo opuesto los repele.
Esto hace que un electrón de las uniones covalentes se desplace al extremo positivo y llene un hueco. Al llenarse este hueco, se formó automáticamente otro hueco en el lugar donde se encontraba el electrón desplazado.
El proceso se repite y el hueco se va desplazando cada vez mas hacia la derecha, hasta ser llenado por un electrón proveniente del hilo conductor. El extremo positivo arranca un electrón, deja un hueco, y el proceso se repite.
El desplazamiento continuo de los huecos entre positivo y negativo equivale a una corriente eléctrica que se origina por el voltaje de la batería al desplazar a los electrones de las uniones covalentes.
Este desplazamiento de los huecos se produce solo dentro del material conductor, mientras que los electrones circulan por todo el circuito.
Este teoría de los huecos ayuda a comprender el funcionamiento de los diodos y transistores.

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