¿Qué es el semiconductor intrínseco y el semiconductor extrínseco: banda de energía y dopaje?

Semiconductor, como su nombre indica, es un tipo de material que presenta propiedades tanto de conductores como de aislantes. Un material semiconductor requiere un cierto nivel de voltaje o calor para liberar sus portadores para la conducción. Estos semiconductores se clasifican como "intrínsecos" y "extrínsecos" según el número de portadores. El portador intrínseco es la forma más pura de semiconductor y un número igual de electrones (portadores de carga negativa) y huecos (portadores de carga positiva). Los materiales semiconductores más utilizados son el silicio (Si), el germanio (Ge) y el arseniuro de galio (GaAs). Estudiemos las características y el comportamiento de este tipo de semiconductores. ¿Qué es un semiconductor intrínseco? El semiconductor intrínseco se puede definir como material químicamente puro sin ningún dopaje o impureza añadida. Los semiconductores intrínsecos o puros más comúnmente conocidos disponibles son el silicio (Si) y el germanio (Ge). El comportamiento del semiconductor al aplicar un cierto voltaje depende de su estructura atómica. La capa más externa de silicio y germanio tiene cuatro electrones cada uno. Para estabilizarse entre sí, los átomos cercanos forman enlaces covalentes basados ​​en el intercambio de electrones de valencia. Este enlace en la estructura de red cristalina del silicio se ilustra en la figura 1. Aquí se puede ver que los electrones de valencia de dos átomos de Si se emparejan para formar un enlace covalente. Figura 1. Enlace covalente del átomo de silicio En todos los enlaces covalentes son estables y no hay portadores disponibles para la conducción. Aquí el semiconductor intrínseco se comporta como un aislante o no conductor. Ahora, si la temperatura ambiente se acerca a la temperatura ambiente, los enlaces covalentes comienzan a romperse. Por tanto, los electrones de la capa de valencia se liberan para participar en la conducción. A medida que se liberan más portadores para la conducción, el semiconductor comienza a comportarse como un material conductor. El diagrama de bandas de energía que se muestra a continuación explica esta transición de portadores de la banda de valencia a la banda de conducción. El diagrama de bandas de energía El diagrama de bandas de energía que se muestra en la figura 2 (a) representa dos niveles, Banda de conducción y Banda de valencia. El espacio entre las dos bandas se llama espacio prohibido. Figura 2 (a). Diagrama de bandas de energía Figura Figura 2 (b). Electrones de banda de valencia y conducción en un semiconductor Cuando un material semiconductor se somete a calor o voltaje aplicado, pocos de los enlaces covalentes se rompen, lo que genera electrones libres como se muestra en la figura 2 (b). Estos electrones libres se excitan y ganan energía para superar el espacio prohibido y entrar en la banda de conducción desde la banda de valencia. Cuando el electrón abandona la banda de valencia, deja un agujero en la banda de valencia. En un semiconductor intrínseco siempre se creará un número igual de electrones y huecos y, por lo tanto, exhibirá neutralidad eléctrica. Tanto los electrones como los huecos son responsables de la conducción de corriente en el semiconductor intrínseco. ¿Qué es un semiconductor extrínseco? El semiconductor extrínseco se define como el material con una impureza añadida o semiconductor dopado. El dopaje es el proceso de agregar impurezas deliberadamente para aumentar el número de portadores. Los elementos de impureza utilizados se denominan dopantes. Como el número de electrones y huecos es mayor en el conductor extrínseco, exhibe mayor conductividad que los semiconductores intrínsecos. Según los dopantes utilizados, los semiconductores extrínsecos se clasifican además como 'semiconductores de tipo N' y 'semiconductores de tipo P'. Semiconductores de tipo N: los semiconductores de tipo N están dopados con impurezas pentavalentes. Los elementos pentavalentes se denominan así porque tienen 5 electrones en su capa de valencia. Los ejemplos de impureza pentavalente son fósforo (P), arsénico (As), antimonio (Sb). Como se muestra en la figura 3, el átomo dopante establece enlaces covalentes al compartir cuatro de sus electrones de valencia con cuatro átomos de silicio vecinos. El quinto electrón permanece débilmente unido al núcleo del átomo dopante. Se requiere muy menos energía de ionización para liberar el quinto electrón de modo que salga de la banda de valencia y entre en la banda de conducción. La impureza pentavalente imparte un electrón extra a la estructura reticular y, por lo tanto, se denomina impureza donante.Figura 3. Semiconductores de tipo N con impureza donante Semiconductores de tipo P: Los semiconductores de tipo P están dopados con el semiconductor trivalente. Las impurezas trivalentes tienen 3 electrones en su capa de valencia. Los ejemplos de impurezas trivalentes incluyen boro (B), galio (G), indio (In), aluminio (Al). Como se muestra en la figura 4, el átomo dopante establece enlaces covalentes con solo tres átomos de silicio vecinos y se genera un hueco o vacante en el enlace con el cuarto átomo de silicio. El agujero actúa como un portador positivo o espacio para que lo ocupe el electrón. Por lo tanto, la impureza trivalente ha impartido una vacante o un agujero positivo que puede aceptar fácilmente electrones y, por lo tanto, se denomina impureza aceptadora.  Figura 4. Semiconductor tipo P con la impureza aceptora Concentración de la portadora en el semiconductor intrínseco La concentración de la portadora intrínseca se define como el número de electrones por unidad de volumen en la banda de conducción o el número de huecos por unidad de volumen en la banda de valencia. Debido al voltaje aplicado, el electrón abandona la banda de valencia y crea un agujero positivo en su lugar. Este electrón entra además en la banda de conducción y participa en la conducción de la corriente. En un semiconductor intrínseco, los electrones generados en la banda de conducción es igual al número de huecos en la banda de valencia. Por lo tanto, la concentración de electrones (n) es igual a la concentración de huecos (p) en un semiconductor intrínseco. La concentración de portadores intrínsecos se puede dar como: n_i = n = p Donde, n_i: concentración de portadores intrínsecos n: concentración de portadores de electrones p: hueco -concentración portadora Conductividad del semiconductor intrínseco A medida que el semiconductor intrínseco se somete a calor o voltaje aplicado, los electrones viajan desde la banda de valencia a la banda de conducción y dejan un hueco positivo o vacante en la banda de valencia. De nuevo, estos huecos se llenan con otros electrones a medida que se rompen más enlaces covalentes. Por lo tanto, los electrones y los huecos viajan en la dirección opuesta y el semiconductor intrínseco comienza a conducir. La conductividad aumenta cuando se rompen varios enlaces covalentes, por lo que se liberan más electrones y huecos para la conducción. La conductividad de un semiconductor intrínseco se expresa en términos de movilidad y concentración de los portadores de carga. La expresión para la conductividad de un semiconductor intrínseco se expresa como: σ_i = n_i e (μ_e + μ_h) Donde σ_i: conductividad de un semiconductor intrínseco semiconductor n_i: concentración de portadora intrínseca μ_e: movilidad de electrones μ_h: movilidad de agujeros Consulte este enlace para saber más sobre los MCQ de la teoría de semiconductores

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