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Semiconductores

Un semiconductor es un elemento que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de diversos factores (aplicación de un campo eléctrico o magnético, temperatura, presión, radiación…).

El más utilizado es el silicio, seguido del germanio, ambos tetravalentes (tienen 4 electrones en su capa de valencia).  Formarán cristales con una estructura tetraédrica mediante enlaces covalentes con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Es posible que estos electrones adquieran suficiente energía cinética de origen natural para romper el enlace covalente y asumir un estado libre.  Estas causas naturales incluyen la energía luminosa en forma de fotones o energía térmica proveniente del entorno, de manera que un incremento en la temperatura puede ocasionar un aumento sustancial en el número de electrones libres en el material, incrementando así su índice de conductividad. A un semiconductor de composición pura se le denomina material intrínseco.

A un semiconductor intrínseco se le puede añadir de forma controlada una pequeña cantidad de impurezas (elementos trivalentes o pentavalentes que pasan a formar parte de la estructura cristalina) mediante un proceso denominado dopaje, y pasa a llamarse semiconductor extrínseco.

MATERIAL TIPO N

El dopaje tipo N se produce añadiendo elementos pentavalentes (fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), que se incorporarán a la red cristalina sustituyendo a un átomo de silicio.  Dicho átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y quedará un electrón no enlazado, de modo que como resultado, el número de electrones totales en el material supera ampliamente el número de huecos, quedando electrones libres.

MATERIAL TIPO P

El dopaje tipo P se produce al añadir elementos trivalentes (aluminio (Al), galio (Ga), boro (B), indio (In)). Al incorporarse uno de estos átomos a la red cristalina formarán tres enlaces covalentes con los átomos de silicio adyacentes y quedará un “hueco” que se encontrará en condición de aceptar un electrón libre.

UNION P-N

Cuando se unen ambos tipos de cristales se produce una difusión de electrones del cristal n al p que irán ocupando los huecos libres que se encuentran en el cristal p, dando lugar a la formación de lo que se denomina zona de deplexión en la línea de unión de ambos materiales. Las regiones adyacentes a esta unión se van quedando sin portadores de carga debido a que se combinaron unos con otros. 

La zona de deplexión irá creciendo, costando más trabajo a los electrones del lado N pasar al lado P hasta que se alcanza un equilibrio en el que ningún electrón la puede atravesar dicha zona, comportándose como una barrera.

Cuando un átomo pentavalente pierde un electrón libre y pasa al lado p, adquieren una carga eléctrica de +1, con lo que se convierten en iones positivos.  (hay más protones en su núcleo que electrones en su capa de valencia), mientras que cuando el electrón libre ocupa uno de los huecos de los átomos trivalentes del lado p, éste queda cargado negativamente. Esto sucede en las respectivas zonas de agotamiento de cada lado, quedando cargada positivamente en la zona n y negativamente en la p.

Estas dos pequeñas fuerzas de carga forman una diferencia de potencial que se denomina potencial de barrera. Esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V en el del germanio a 25ºC de temperatura. Cualquier electrón que quiera cruzar la línea de unión deberá vencer dicho potencial de barrera.

UNION P-N: POLARIZACIÓN DIRECTA

Se conecta el polo positivo de una batería a la parte p de la unión P-N, y el negativo a la n. Los electrones provenientes de la batería entran en el lado p y experimentan una atracción por el potencial positivo aplicado a la región p, pero no podrán atravesar la línea de unión hasta que la tensión de la fuente no sea superior a los 0,7 V (Vf) del potencial de barrera (en caso de que se trate de un semiconductor de silicio). Cuando ésta es superada y los electrones cruzan al lado p, se desplazarán a lo largo del mismo ocupando progresivamente los huecos presentes en él hasta que finalmente lo atraviesan, generándose así un flujo de electrones, es decir un paso de corriente.

UNIÓN P-N: POLARIZACIÓN INDIRECTA

Se conecta el polo negativo de la batería al lado p del semiconductor y el positivo al lado n.   El polo positivo de la batería atraerá a los electrones libres de la zona n. A medida que los átomos pentavalentes van perdiendo estos electrones libres se van convirtiendo en iones positivos.  Por otro lado, el polo negativo de la batería cede electrones libres a la zona P, ocupando los huecos de los átomos trivalentes y convirtiéndose en electrones de valencia y adquiriendo estos átomos una carga negativa, convirtiéndose en iones negativos. Este proceso continúa hasta que la zona de deplexión adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería. Esta corriente que se ha producido se denomina corriente de transición, y es del orden de nA.

En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo. La suma de ambas constituye la corriente inversa (IR).

Los diodos admiten unos valores máximos de tensión que se pueden aplicar en polarización inversa, a partir del cual se estropean.  Ese límite se denomina “Tensión de Ruptura”  (VR). A partir del mismo se produce lo que se conoce con el nombre de “efecto avalancha” o “ruptura por avalancha” en que se generan unos cambios en las características de la composición de los semicondutores dando lugar a aumento brusco de la IR.