I. NATURALEZA DE LOS SEMICONDUCTORES

(Estructura Interna de La Materia)

Desde el punto de vista de su conductividad electrónica todos los materiales pueden clasificarse en tres categorías: aislantes dieléctricos, conductores y semiconductores. Son materiales aislantes o dieléctricos aquellos que presentan una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica, y conductores por el contrario los que permiten fácilmente la circulación de la corriente. En una posición intermedia se encuentran los semiconductores.

La explicación a estas diferencias de conductividad radica en la estructura atómica de la materia. Sabido es que el átomo constituye la partícula más pequeña que conserva las características de cada elemento químico. También se sabe que los átomos están compuestos por un núcleo central rodeado de partículas llamadas electrones, dispuestos en una o más capas exteriores. Así, por ejemplo, la figura muestra la estructura de un átomo de silicio.

Obsérvese que los electrones están dispuestos en tres capas y de la siguiente manera: dos electrones en la capa interna y cuatro en la externa. El núcleo se compone a su vez de protones y neutrones. Los protones tienen carga eléctrica positiva, y por tanto tienden a repelerse entre sí. Los electrones dispuestos alrededor del núcleo tienen carga eléctrica negativa, y de modo análogo, tienden también a repelerse entre sí. Los neutrones carecen de carga eléctrica, y en consecuencia no ejercen ninguna acción mutua.

El número total de electrones dispuestos alrededor del núcleo es siempre igual al del número de protones contenidos en el núcleo. Puesto que las cargas de un protón y un electrón son iguales y de signo opuesto, un átomo normal se halla en estado neutro, es decir, carece de carga eléctrica. Sin embargo, si un átomo pierde un electrón adquiere inmediatamente carga positiva, puesto que en el mismo hay más protones que electrones. Un átomo como el considerado recibe el nombre de ión positivo. Por el contrario, si un átomo gana un electrón adquiere una carga negativa, y recibe el nombre de ión negativo.

Se ha dicho anteriormente que los electrones están dispuestos alrededor del núcleo en una o varias capas, según el elemento o compuesto químico que se trate. Los electrones que se hallan en la capa más externa, llamados electrones de valencia, son los que poseen mayor energía y los que por hallarse más alejados del núcleo, pueden separarse más fácilmente del átomo.

Los cuerpos que tienen pocos electrones de valencia (menos de cuatro) tienden a desprenderse de ellos para adquirir una configuración más estable, y por lo tanto abundan en electrones de (valencia) libres. Bajo la acción de una diferencia de potencial, estos electrones se desplazan de manera conjunta y ordenada, formando una corriente eléctrica. Los materiales que permiten un fácil establecimiento de la corriente eléctrica cuando se les aplica una diferencia de potencial son buenos conductores de la primera y se les da el nombre genérico de conductores. La figura 1.1 muestra la estructura de un átomo de aluminio, que por tener pocos electrones de valencia es un elemento conductor.

Las sustancias con más de cuatro electrones de valencia en el átomo tienden a capturar todavía más para adquirir una configuración más estable. En consecuencia, carecen de electrones libres y no son conductores de corriente eléctrica. El fósforo con cinco electrones de valencia en el átomo (figura 1.2), es un ejemplo de tales sustancias, que reciben el nombre de aislantes.

Los cuerpos cuyos átomos tienen cuatro electrones de valencia poseen unas características de conducción intermedias y por este motivo se llaman semiconductores. Los cuerpos o elementos semiconductores son dos: el silicio y el germanio. Ambos se utilizan ampliamente en electrónica porque además de reunir las propiedades eléctricas y mecánicas necesarias, son de obtención fácil y barata. Para la fabricación de tiristores se prefiere el silicio al germanio, ya que el primero posee varias ventajas sobre el segundo; una de ellas es la mayor resistencia de su estructura cristalina a temperaturas y tensiones de servicio elevadas.

El átomo de germani tiene 32 electrones orbitando, mientras que el de silicio tiene 14. En cada caso hay 4 electrones en la órbita más externa (órita de valencia). Aunque el enlace covalente de un cristal de silico o de germanio se traducirá en un enlace más fuerte entre los electrones de valencia y su padre átoma, es posible todavía que los electrones de valencia absorban suficiente energía cinética a partir de causas naturales para romper los enlaces covalentes y adquirir el estado libre. Estas causas naturales comprenden efectos tales como energía luminosa en forma de fotones.