Propiedades electrónicas
Los materiales semiconductores tratados aquí son cristales simples, es decir, los átomos están dispuestos de forma periódica tridimensional. La figura 2A muestra una representación bidimensional simplificada de un cristal de silicio intrínseco que es muy puro y contiene una cantidad insignificante de impurezas. Cada átomo de silicio del cristal está rodeado por cuatro de sus vecinos más cercanos. Cada átomo tiene cuatro electrones en su órbita exterior y los comparte con sus cuatro vecinos. Cada par de electrones compartido constituye un enlace covalente. La fuerza de atracción de los electrones por parte de ambos núcleos mantiene unidos a los dos átomos.
Encyclopædia Britannica, Inc.
A bajas temperaturas los electrones están ligados en sus respectivas posiciones en el cristal; en consecuencia, no están disponibles para la conducción eléctrica. A temperaturas más altas, la vibración térmica puede romper algunos de los enlaces covalentes. La ruptura de un enlace produce un electrón libre que puede participar en la conducción de la corriente. Una vez que un electrón se aleja de un enlace covalente, hay una deficiencia de electrones en ese enlace. Esta deficiencia puede ser cubierta por uno de los electrones vecinos, lo que da lugar a un desplazamiento de la ubicación de la deficiencia de un sitio a otro. Esta deficiencia puede considerarse como una partícula similar a un electrón. Esta partícula ficticia, denominada agujero, lleva una carga positiva y se mueve, bajo la influencia de un campo eléctrico aplicado, en una dirección opuesta a la de un electrón.
Para un átomo aislado, los electrones del átomo sólo pueden tener niveles de energía discretos. Cuando un gran número de átomos se juntan para formar un cristal, la interacción entre los átomos hace que los niveles de energía discretos se extiendan en bandas de energía. Cuando no hay vibraciones térmicas (es decir, a baja temperatura), los electrones de un semiconductor llenarán por completo una serie de bandas de energía, dejando el resto de las bandas de energía vacías. La banda más llena se llama banda de valencia. La siguiente banda más alta es la banda de conducción, que está separada de la banda de valencia por un hueco energético. Este hueco energético, también llamado bandgap, es una región que designa las energías que los electrones del semiconductor no pueden poseer. La mayoría de los semiconductores importantes tienen bandgaps en el rango de 0,25 a 2,5 eV. El bandgap del silicio, por ejemplo, es de 1,12 eV y el del arseniuro de galio es de 1,42 eV.
Como se ha comentado anteriormente, a temperaturas finitas las vibraciones térmicas romperán algunos enlaces. Cuando se rompe un enlace, se produce un electrón libre, junto con un agujero libre, es decir, el electrón posee suficiente energía térmica para cruzar el bandgap a la banda de conducción, dejando atrás un agujero en la banda de valencia. Cuando se aplica un campo eléctrico al semiconductor, tanto los electrones de la banda de conducción como los huecos de la banda de valencia ganan energía cinética y conducen la electricidad. La conductividad eléctrica de un material depende del número de portadores de carga (es decir, electrones y huecos libres) por unidad de volumen y de la velocidad a la que se mueven estos portadores bajo la influencia de un campo eléctrico. En un semiconductor intrínseco existe un número igual de electrones y huecos libres. Sin embargo, los electrones y los huecos tienen movilidades diferentes, es decir, se mueven con velocidades diferentes en un campo eléctrico. Por ejemplo, para el silicio intrínseco a temperatura ambiente, la movilidad de los electrones es de 1.500 centímetros cuadrados por voltio-segundo (cm2/V-s) -es decir, un electrón se moverá a una velocidad de 1.500 centímetros por segundo bajo un campo eléctrico de un voltio por centímetro- mientras que la movilidad de los huecos es de 500 cm2/V-s. Las movilidades de un semiconductor determinado suelen disminuir al aumentar la temperatura o la concentración de impurezas.
La conducción eléctrica en los semiconductores intrínsecos es bastante pobre a temperatura ambiente. Para producir una mayor conducción, se pueden introducir intencionadamente impurezas (normalmente a una concentración de una parte por millón de átomos del huésped). Es el llamado proceso de dopaje. Por ejemplo, cuando se sustituye un átomo de silicio por otro con cinco electrones exteriores, como el arsénico (Figura 2C), cuatro de los electrones forman enlaces covalentes con los cuatro átomos de silicio vecinos. El quinto electrón se convierte en un electrón de conducción que es «donado» a la banda de conducción. El silicio se convierte en un semiconductor de tipo n gracias a la adición del electrón. El átomo de arsénico es el donante. Del mismo modo, la Figura 2C muestra que, cuando un átomo con tres electrones externos, como el boro, se sustituye por un átomo de silicio, se «acepta» un electrón adicional para formar cuatro enlaces covalentes alrededor del átomo de boro, y se crea un hueco con carga positiva en la banda de valencia. Se trata de un semiconductor de tipo p, en el que el boro constituye un aceptor.
