Semiconductores: Intrínsecos, Extrínsecos, y sus Propiedades

Semiconductores Intrínsecos

Los semiconductores intrínsecos son aquellos cuyas propiedades eléctricas se deben a su propia naturaleza, es decir, al tipo de átomos que lo componen (configuración electrónica) y a su estructura cristalina.

Semiconductores Extrínsecos

Los semiconductores extrínsecos son aquellos a los cuales se les han añadido impurezas dadoras o aceptoras de forma que el número de electrones y huecos (excitadores de carga que están igualados en los semiconductores intrínsecos) sean diferentes, de modo que se puede hablar de que unos excitadores (electrones o huecos) están en mayoría, denominándose excitadores mayoritarios.

Semiconductor Extrínseco Tipo N

A temperatura ambiente, la energía térmica no es suficiente para promocionar electrones extrínsecos a la banda de conducción. Al aumentar la temperatura, habrá promoción de electrones desde el nivel donor a la banda de conducción hasta que en dicha banda estén circulando todos los electrones de las impurezas. Por más que se caliente, ya no se promocionan más electrones, a esto se le llama zona de agotamiento. En esta zona, la conductividad es constante, ya que los electrones del nivel donor se han agotado y la temperatura sigue siendo baja. Si se sigue aumentando la temperatura, llegamos a tener suficiente energía térmica como para superar la energía del gap intrínseco y promocionar electrones desde la banda de valencia (zona intrínseca).

Semiconductor Extrínseco Tipo P

Se obtiene un comportamiento igual a los de tipo N, solo que el tramo donde la conductividad permanece constante recibe el nombre de zona de saturación. Al igual que en los de tipo N, existe una temperatura a partir de la cual todas las impurezas se han ionizado, siendo la concentración de excitadores exactamente la de dopantes introducidos.

Movilidad de los Excitadores de Carga

Esta magnitud se define como la velocidad de deriva del excitador por unidad de campo. Por tanto, la manera más directa de determinar la movilidad es medir la velocidad de deriva causada por un campo eléctrico conocido. Dado que el campo eléctrico es constante en un conductor, se puede deducir midiendo el voltaje y la distancia.

Si es de tipo P: estaría formada por elementos de grupos anteriores al IVB del silicio. Los elementos idóneos son el Boro, Aluminio y Galio. Si es de tipo N: la impureza dadora estaría formada por grupos posteriores al del silicio. Los elementos idóneos son del grupo VB (N, P, As, Sb, Bi).

Ley de Acción de Masas

En un semiconductor (intrínseco o extrínseco), las concentraciones de electrones (n) y huecos (p) no pueden ser independientes; esto es, si aumenta una de ellas, la otra debe disminuir. Este efecto es conocido en todas las facetas de la naturaleza y se conoce como la ley de acción de masas. Sea cual sea el dopado, se verifica la ecuación: donde n_i es la concentración intrínseca de portadores de cargas.

El Coeficiente de Hall

Mediante este método, podemos conocer el tipo de portadores de carga mayoritario y la concentración y movilidad de portadores. El coeficiente de Hall (R_H) es: . Si los portadores de carga son electrones, R_H será negativo, y si son huecos, R_H será positivo. El coeficiente de Hall es inversamente proporcional a la densidad de portadores de carga de la muestra; una medición de R_H constituye un modo sencillo de determinar la densidad de portadores (n o p).

Influencia de la Temperatura en la Movilidad

El aumento de la temperatura disminuye la movilidad y, por tanto, la conductividad de los portadores de carga. La movilidad disminuye por los efectos de dispersión de los átomos de la red. Menores temperaturas implican menor amplitud en las vibraciones de los átomos y una acción más débil sobre la dispersión de los portadores de carga libres.

Gap Energético

Un método sencillo para determinar este gap es estudiar la transmisión óptica. Se hace pasar la luz a través de una delgada lámina de semiconductor y se representa el coeficiente de transmisión en función de la frecuencia de radiación. Si hv ≥ Eg, los electrones pasarán a la banda de conducción. Por tanto, habrá un cambio brusco en la transmisión.

Polarización Inversa

Los electrones del material tipo N (portadores mayoritarios) son atraídos hacia la terminal positiva de la batería, alejándose de la unión. De igual forma, los huecos mayoritarios de la zona P son atraídos hacia la terminal negativa de la batería. Este movimiento de electrones y huecos aumenta la anchura de la zona de carga espacial e impide la corriente debido a dichos portadores mayoritarios a través de la unión. Sin embargo, sí que hay conducción por minoritarios (ya que en la zona P tenemos electrones y en la zona N huecos). Estos fluyen hacia la unión, se combinan y pueden dar lugar a pequeñísimos flujos de corriente, llamada corrientes de flujo.

Transistor de Unión Bipolar

En un transistor NPN, la corriente estará formada por electrones que, al ser cargas negativas, dan sentido de corriente inversa. Este transistor está compuesto por dos uniones NP. Hace que cualquier señal introducida en el circuito de baja resistencia aparezca en el circuito de salida (de resistencia elevada), con lo que, en realidad, lo que hace es elevar la potencia de la señal (así, la misma corriente con mayor resistencia). En un transistor PNP, la corriente estará formada por huecos, pero el comportamiento será idéntico (con direcciones opuestas).

Transistor de Efecto Campo

Funciona de forma similar al bipolar, pero se basa en fenómenos de inducción de carga. El efecto campo se puede estudiar en un cristal de silicio dopado con impurezas aceptoras. Sobre este material se crece, por encima o por debajo, una capa de aislante (SiO₂). Sobre el aislante se depositarán láminas metálicas. Al aplicar un voltaje, se inducirán cargas negativas en la parte conectada al polo positivo, y el aislante evita que salgan los huecos. El semiconductor tipo P se convierte superficialmente en tipo N, y la conducción pasa a estar soportada por electrones en esta zona. Del mismo modo, se puede partir de un semiconductor tipo N y que convierta superficialmente en tipo P.

Purificación de Cristales Semiconductores

Solidificación Fraccionaria

Si en un sistema binario, formado por el semiconductor y la impureza, uno de ellos interviene en pequeña proporción y tiene el carácter de impureza soluble, el elemento base puede purificarse mediante un proceso de solidificación fraccionario. Supongamos una aleación con una concentración de impurezas inicial C₀, de la cual se dispone una cantidad P. Si a una temperatura intermedia separamos el líquido de composición C_L, nos quedamos con un sólido de composición C_S menor que C₀. La cantidad de sólido purificado será:

Refino por Zonas

Consideramos una varilla cilíndrica de longitud D y su sección unidad, en la que se provoca la fusión de una zona de longitud a.

Epitaxia

Es uno de los procesos en la fabricación de circuitos integrados. El crecimiento de una delgada capa de un material sobre un sustrato monocristalino, de manera que la capa que crece lo hace de forma ordenada. Mediante esta técnica, se controla el nivel de impurezas en el semiconductor, que son las que definen su carácter (N o P). Como para la base del dispositivo se usa una oblea altamente dopada, al crecer epitaxialmente una capa superficial ordenada, se mejora la movilidad y la conductividad.

Litografía y Grabado

Se usa para definir las áreas de un dispositivo. El proceso comienza con el diseño del dispositivo a una escala muy ampliada para después, con un fotorreproductor, reducir a escala. Con el fin de obtener un soporte estable y con alta definición, se utiliza una placa emulsionada de alta resolución llamada máscara. Se parte de una oblea de silicio protegido con SiO₂ y se recubre la superficie con un material fotosensible. A continuación, se interpone la máscara y se ilumina con una lámpara. La zona transparente de la máscara deja pasar la luz y la placa de material fotosensible se impresiona con la forma. Después del revelado, se sumerge la oblea en un ácido fluorhídrico que ataca al SiO₂, dejando al descubierto la zona deseada.

Definición Térmica

Con este procedimiento, se pueden introducir impurezas aceptoras o dadoras en una oblea de silicio. Para el caso de las dadoras, se utiliza fósforo, ya que, al ser calentado para que se difunda, su velocidad de difusión y la movilidad de sus átomos en el silicio es mayor que para el resto de impurezas. Para el caso de impurezas aceptoras, se utiliza el boro, debido a que posee una alta velocidad de difusión. El proceso tiene tres etapas. En la primera, se introduce la oblea en un horno en el que se hace el vacío y se introduce un gas que proteja la oblea. En la segunda, llamada predeposito, se deposita encima del canal el material a partir del cual se van a formar los átomos de dichas impurezas. Por último, se calienta la oblea, de manera que los átomos formados en el predeposito se difunden hacia el interior de esta. Dependiendo del tiempo y de la temperatura, se puede convertir toda la oblea en material tipo P o solamente una zona determinada.

Metalización

Consiste en recubrir el material depositando una capa metálica encima de la oblea. Esta capa metálica, normalmente, es de aluminio. La metalización se realiza en una cámara de vacío. Sobre una resistencia de filamento refractorio, resistente a altas temperaturas, se deposita el material a volatilizar, metalizando la superficie de la oblea.