Fundamentos de Semiconductores: Estructura Atómica y Conductividad Eléctrica
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Conceptos Fundamentales de Electricidad y Materia
Corriente Eléctrica
La corriente eléctrica se define como el movimiento de electrones en un determinado sentido.
Estructura Atómica Básica
- Núcleo: Compuesto por protones y neutrones.
- Electrones: Giran alrededor del núcleo.
- Los protones determinan el número atómico del átomo y neutralizan la carga de los electrones.
Clasificación de Materiales por Valencia
Órbita de Valencia
La órbita de valencia es la capa más externa del átomo. No puede haber más de 8 electrones en esta capa.
La cantidad de electrones de valencia define el comportamiento eléctrico del material:
- Conductores: Tienen 1 electrón de valencia (ejemplo: cobre).
- Semiconductores: Tienen 4 electrones de valencia.
- Aislantes: Tienen 8 electrones de valencia.
Átomos Semiconductores Principales
Los semiconductores son materiales sólidos o líquidos capaces de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal.
- Átomo de Silicio (Si)
- Átomo de Germanio (Ge)
Conductividad Eléctrica
Definición y Ejemplos
La conductividad eléctrica es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial.
- Excelentes Conductores: El cobre, la plata y el aluminio.
- Malos Conductores (Aislantes): Ciertos aislantes como el diamante o el vidrio.
Comportamiento de los Semiconductores
A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sin embargo, sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas (dopado) o en presencia de luz, su conductividad aumenta.
Los principales semiconductores utilizados en electrónica son el silicio, el germanio y el arseniuro de galio.
El Silicio (Si)
En estado puro, el silicio tiene propiedades físicas y químicas parecidas a las del diamante.
El dióxido de silicio se encuentra en la naturaleza en diversas formas como cuarzo y ágata. Su estructura cristalina le confiere propiedades semiconductoras. En estado muy puro y con pequeñas trazas de elementos como el boro, fósforo y arsénico, constituye el material básico en la construcción de los chips de los ordenadores.
Historia del Silicio
| Descubridor: Jöns Jacob Berzelius (Sueco) |
| Año: 1823 |
Portadores de Carga y Tipos de Semiconductores
Acción de un Campo Magnético
La corriente en un semiconductor es debida a dos tipos de portadores de carga: HUECOS y ELECTRONES.
Influencia de la Temperatura
La temperatura afecta fuertemente a las propiedades eléctricas de los semiconductores:
Mayor temperatura $\Rightarrow$ más portadores de carga $\Rightarrow$ menor resistencia.
Semiconductor Intrínseco
Un semiconductor intrínseco indica un material semiconductor extremadamente puro que contiene una cantidad insignificante de átomos de impurezas.
Semiconductor Extrínseco
Semiconductor extrínseco tipo N: Los portadores mayoritarios de carga son Electrones libres.
Semiconductor extrínseco tipo P: Los portadores mayoritarios de carga son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.
La Unión P-N
Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada ‘zona de transición’. Esta zona actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona. También se le denomina barrera de potencial.
Conclusiones sobre la Unión P-N
- Aplicando tensión inversa: No hay conducción de corriente.
- Al aplicar tensión directa en la unión: Es posible la circulación de corriente eléctrica.