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Capítulo 16:

 Clasificación de los Materiales. (Semiconductores)

El silicio y el germanio son  los únicos elementos que tienen aplicaciones prácticas como semiconductores. Sin  embargo, gran variedad de compuestos cerámicos e intermetálicos presentan este mismo efecto.

Para facilitar su estudio, los derivados del silicio y el germanio se dividen en semiconductores intrínsecos y extrínsecos.

Los semiconductores intrínsecos se caracterizan por que su brecha de energía Eg entre las bandas de valencia y conducción es pequeña, y en consecuencia, algunos electrones poseen suficiente energía térmica como para saltar la brecha, entrando en la banda de conducción. Los electrones excitados dejan atrás niveles de energía desocupados, o huecos, en la banda de valencia. Cuando un electrón se mueve para llenar un hueco, se crea otro en la fuente original de este segundo electrón, de forma que los espacios vacío  parecen actuar como "electrones" de carga positiva y portadores de carga eléctrica.. Cuando se aplica un voltaje eléctrico al material, los electrones de la banda de conducción se aceleran hacia la terminal positiva., en tanto que los huecos de la banda de valencia se mueven hacia a terminal negativa., Por lo tanto se conduce la corriente mediante el movimiento de electrones y de huecos.

La conductividad  queda determinada por el número de pares electrón hueco.

s = neqm e + nhqm h

donde ne es el número de electrones en la banda de conducción, nh es el número de huecos en la banda de valencia y m em h son las movilidades de electrones y de huecos. En el caso de los conductores intrínsecos:

n = ne = nh

Por tanto, la conductividad es:

s = neq(m e + m h )

Al controlar la temperatura, se controla el número de portadores de carga por lo mismo, la conductividad eléctrica. En el cero absoluto, todos los electrones están en la  banda de valencia, así que todos los niveles de la banda de conducción se hallan desocupados.

Conforme aumenta la temperatura, hay mayores probabilidades de que se ocupe un nivel de energía en la banda de conducción, de forma que existen idénticas probabilidades de que se desocupe un nivel en la banda de valencia. El número de electrones en la banda de conducción, que es igual al número de huecos en la banda de valencia, está dado por:

n = ne = nh = no exp  - (Eg/2kT)                                                                                  

donde no se puede considerar como constante, aunque de hecho también depende de la temperatura. Temperaturas más elevadas permiten que más electrones crucen la zona prohibida y, por tanto se incrementa la conductividad:

s = neq(m e + m h ) exp  - (Eg/2kT)  

El comportamiento del semiconductor es opuesto al de los metales, ya que conforme aumenta la temperatura se incrementa la conductividad, por que están presentes más portadores de carga., en tanto que en el metal la conductividad se reduce, debido a la menor movilidad de sus portadores de carga.

Si se retira la fuente de energía o voltaje de excitación, se vuelven a combinar los huecos y los electrones después de cierto periodo de tiempo. El número de electrones en la banda de conducción se reduce con una rapidez dada por:

n = no exp - (t/t)

donde t es el tiempo después de haber eliminado el campo, no es una constante y t es una constante conocida como tiempo de recombinación.

En vista de que pequeñas variaciones de temperatura pueden afectar el comportamiento de un semiconductor intrínseco, se puede agregar una pequeña cantidad de impurezas (dopado), para producir un semiconductor extrínseco. La conductividad de este semiconductor dependerá principalmente del número de átomos de impureza (dopantes), y en un rango especifico de temperatura incluso ser independiente de esta.

- Semiconductores tipo n. Supongamos que agregamos un átomo de antimonio como impureza al silicio o al germanio. Cuatro de los electrones de valencia del átomo de antimonio participan en el proceso de enlaces covalentes, en tanto que un electrón adicional entra en un  nivel de energía en estado de donación., justo por debajo de la banda de conducción. Dado que este electrón no esta fuertemente unido a los átomos, solamente requiere un pequeño aumento de energía Ed para que el electrón pase a la banda de conducción. (Ed a menudo se define como la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la banda de donadores. En este caso, el incremento de energía requerido seríaEg - Ed × ). La brecha de energía que controla la conductividad pasa a ser Ed en vez de  Eg. Cuando los electrones de donación entran en la banda de conducción, no se crean huecos correspondientes a cada uno de ellos.

Una pequeña cantidad de semiconducción intrínseca sigue ocurriendo, con algunos electrones que adquirieron la energía suficiente como para saltar el espacio Eg. El número total de portadores de carga es :

ntotal = ne(dopante) + ne(intrínseca) + nh(intrínseca)

Conforme aumenta la  temperatura, más electrones de donación saltan el espacio Ed hasta que, finalmente todos los electrones de donación están en la banda de conducción. Esto significa un agotamiento de donadores. La conductividad es casi constante; no hay disponibles más electrones de donación y la temperatura sigue siendo demasiado baja para producir muchos electrones y huecos intrínsecos, sobre todo si Eg es grande.

- Semiconductores tipo p Cuando a un semiconductor  se le agrega una impureza como el galio, que tiene una valencia de tres, no existen suficientes electrones para completar el enlace covalente. Entonces se crea un hueco en la banda de valencia, que puede llenarse con electrones de otras posiciones de la banda. Los hueco actúan como aceptantes de electrones. Este sitio con huecos tiene una energía algo mayor  que la normal y crea un nivel aceptante de energía de electrones, justo por encima de la banda de valencia. Un electrón debe  ganar un nivel de energía  de solo Ea a fin de crear un hueco en la banda de valencia. El hueco se mueve portando la carga. Finalmente la temperatura  subirá lo suficiente como para causar la saturación de aceptantes.

Los compuestos semiconductores (no derivados del silicio o el germanio), pueden ser:

- Semiconductores estequiométricos, que son por lo general compuestos intermetálicos, que tienes estructuras cristalinas y de banda semejantes a las del silicio y el germanio.

- Semiconductores Imperfectos o no estequiométricos son compuestos iónicos que contienen exceso de iones, sean estos negativos (aniones) produciendo un semiconductor tipo p; o positivos (cationes) obteniendo un tipo n

Comportamiento óptico.

En los semiconductores, la brecha de energía es menor que la de los aislantes, particularmente en los semiconductores extrínsecos, que contienen niveles donantes y aceptantes de energía. En los semiconductores intrínsecos, habrá absorción si la energía del fotón excede la brecha Eg; mientras que los fotones de menor potencia serán transmitidos. Así, los semiconductores son opacos a radiaciones de longitudes de onda corta, pero transparentes a longitudes de onda larga. Por ejemplo, el silicio y el germanio aparecen opacos a la luz visible para el ojo humano, pero son transparentes a radiaciones infrarrojas de longitudes de onda mayores.

Un fenómeno característico de los semiconductores es la fotoconducción, que ocurre si el material es parte de un circuito eléctrico. En este caso, los electrones estimulados producen una corriente  en vez de una emisión. Si la energía de un fotón incidente es suficiente, se excitará un electrón y pasar` a la banda de conducción, o se creará un hueco en la banda de valencia, y el electrón o el hueco transportarán una carga a través del circuito. La longitud de onda máxima del fotón incidente requerido para que exista fotoconducción está relacionada con la brecha de energía del material semiconductor.

l máx = (hc)/Eg

Podemos decir que la fotoconducción es lo inverso a la luminiscencia y a los LED, por que  aquí, los fotones producen un voltaje y una corriente, en tanto que en un LED el voltaje produce fotones y luz.

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