Electrónica 1 Semiconductores (Ut1)

Electrónica 1
Semiconductores
Modelo de Bohr
Todo átomo se compone de tres partículas básicas: electrón, protón y
neutrón. En la estructura entrelazada, los neutrones y los protones
forman el núcleo; los electrones aparecen en órbitas fijas
desplazándose alrededor de éste.
El modelo de Bohr de los tres componentes:
AGO v.2018 1
Materiales Conductores y Aislantes
Ejemplo, átomo de cobre.
El cobre es un buen conductor. El núcleo o

centro del átomo contiene 29 protones (cargas
positivas). Cuando un átomo de cobre tiene una
carga neutra, 29 electrones (cargas negativas)
se disponen alrededor del núcleo.
Los electrones se ubican en distintas capas.

Hay 2 electrones en el primer orbital, 8
electrones en el segundo, 18 en el tercero y 1
en el orbital exterior (valencia).
Distintos orbitales:
- 2 electrones primer orbital.
- 8 electrones segundo orbital.
- 18 electrones tercer orbital.
- 1 electrón en el orbital exterior.
3

Orbitales estables
Núcleo atómico atrae a los electrones orbitales.

Electrones no caen hacia el núcleo debido a la
Fuerza Centrífuga.
La Fuerza Centrífuga equilibra la atracción

eléctrica ejercida por el núcleo.
Cuanto más lejana es la orbita del electrón

menor es la atracción del núcleo.
Electrón más alejado  Velocidad Menor.

Electrón más cercano  Velocidad Mayor
AGO v.2018 2
La parte interna
En electrónica, es importante considerar el orbital exterior (orbital
de valencia).
Es este orbital exterior el que determina las propiedades eléctricas

del átomo. Para subrayar la importancia de dicho orbital de valencia,
se define la parte interna de un átomo como el núcleo más todos
los orbitales internos.
Ejemplo, para el átomo de cobre:
Parte interna = Núcleo (+29) + Primeros

tres orbitales (-28).
Carga resultante = +1.
La energía que mantiene el electrón de

valencia es muy pequeña.
5

Electrón libre
Como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte
interna del átomo, una fuerza externa puede arrancar fácilmente este
electrón, que se conoce como electrón libre.
Fuerza externa puede arrancar fácilmente el electrón (Electrón libre).

Ese es el caso del cobre, como buen conductor.
La tensión más pequeña puede hacer que los electrones libres de un

conductor se muevan al átomo siguiente. Este flujo provoca una
corriente eléctrica.
Recordar: i = dQ/dt
El término libre se aplica a cualquier electrón que se haya separado

de la estructura entrelazada fija y es muy sensible a cualquier campo
eléctrico aplicado como el establecido por fuentes de voltaje o por
cualquier diferencia de potencial.
Otras causas externas incluyen, por ejemplo, efectos como energía

luminosa (fotones) y energía térmica (calor) del medio circundante. 6
AGO v.2018 3
Dentro de la estructura atómica de cada átomo aislado hay niveles

específicos de energía asociados con cada capa y electrón en órbita
Cuanto más alejado está un electrón del núcleo, mayor es su estado de

energía y cualquier electrón que haya abandonado el átomo tiene un estado
de energía mayor que todo electrón que permanezca unido a la estructura
atómica.
7

Los electrones de valencia de un material de silicio pueden tener
diversos niveles de energía, en tanto se encuentren dentro de la banda
1 eV es la energía adquirida por un electrón al acelerarlo a través de una

diferencia de potencial 1 volt.
8
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Un electrón en la banda de valencia de silicio debe absorber más

energía que uno en la banda de valencia de germanio para convertirse
en portador libre.
Asimismo, un electrón en la banda de valencia de arseniuro de galio

debe absorber más energía que uno en la de silicio o germanio para
entrar a la banda de conducción.
Esta diferencia en los requerimientos de las brechas de energía revela

la sensibilidad de cada tipo de semiconductor a los cambios de
temperatura. 9
Ejemplo
Supongamos que una fuerza exterior arranca el
electrón de valencia de un átomo de cobre.
¿Cuál es la carga resultante del átomo de cobre?
¿Y si un electrón exterior entra en la orbital de
valencia de un átomo de cobre?
 Cuando el electrón de valencia se va, la carga resultante del átomo es de

+1. Si un átomo neutro pierde uno o más electrones se convierte en un
átomo cargado positivamente, que recibe el nombre de ión positivo.
 Cuando un electrón exterior entra dentro del orbital de valencia, la carga

resultante del átomo es igual a -1. Si un átomo tiene un electrón extra en la
orbital de valencia, llamamos al átomo cargado negativamente ión
negativo
10
AGO v.2018 5
Materiales Semiconductores
Mejores conductores
(plata, cobre y oro)  1 electrón de valencia.
Mejores aislantes
(vidrio, mica y materiales sintéticos (PVC))  8 electrones de valencia.
Semiconductor:
Elemento con propiedades eléctricas
entre las de un conductor y las de un aislante  4 electrones de valencia.
11
Germanio
El germanio es un ejemplo de
material semiconductor.
Posee cuatro electrones en su orbital
de valencia.
Pasado  era más fácil de purificar, aunque

tenía una mayor inestabilidad a la
temperatura.
Inconveniente  Excesiva corriente inversa.

En la actualidad se encuentra restringido a
algunas aplicaciones en semiconductores y
fibra óptica
12
AGO v.2018 6
Silicio
Un átomo de silicio aislado tiene 14

protones y 14 electrones. El primer
orbital contiene 2 electrones y el
segundo 8. Los 4 electrones restantes
se encuentran en el orbital de
valencia.
Pasado -> material abundante pero

desventajas de proceso de
fabricación complicaron su uso.
Presente -> Es el material principal

usado en la fabricación de
semiconductores y fibra óptica.
13
Silicio
Átomo de Silicio: 14 protones y 14

electrones.
Primer orbital = 2 electrones.
Segundo orbital = 8 electrones.
Orbital exterior = 4 electrones.
Parte interna ->

Carga resultante = +4 (14 protones
en el núcleo y 10 electrones en los
dos primeros orbitales)
14
AGO v.2018 7
Estructuras Cristalinas
Los átomos de semiconductores se combinan para formar una
estructura sólida ordenada llamada cristal.
En un cristal de silicio o germanio puros, los cuatro electrones de

valencia de un átomo forman un arreglo de enlace con cuatro átomos
adyacentes, como se muestra en la figura
Cada átomo de silicio comparte sus electrones de valencia con los

átomos de silicio vecinos.
15
Cada átomo dentro de un cristal de silicio tiene cuatro vecinos.
Átomo central  mantiene 4 electrones propios y agrega 4 electrones

adicionales  8 electrones en su orbital de valencia.
Los electrones dejan de pertenecer a un solo átomo, ya que cada

átomo central y sus vecinos comparten electrones.
Hay 8 electrones "compartidos" en el orbital de valencia.
16
AGO v.2018 8
Enlaces Covalentes
Cada uno de los electrones compartidos está siendo atraído en

direcciones opuestas, el electrón constituye un enlace entre los
núcleos opuestos.
En un cristal de silicio hay miles de millones de átomos de silicio, cada

uno con 8 electrones de valencia.
Los electrones de valencia mantienen unido el cristal dándole solidez.

A este tipo de enlace químico se le da el nombre de enlace covalente.
En un cristal de silicio o germanio

puros, los 4 electrones de valencia de
un átomo forman un arreglo de
enlace con 4 átomos adyacentes,
como se muestra en la figura
17
Arseniuro de Galio (GaAs)
Es un material semiconductor compuesto de galio y arsénico. Tiene

aplicación en la fabricación de lasers, diodos led, celdas fotoeléctricas,
circuitos integrados de alta velocidad.
El galio tiene
tres electrones
de valencia y el
arsénico cinco.
Los átomos que tienen cuatro electrones de valencia se llaman tetravalentes;

los de tres se llaman trivalentes, y los de cinco se llaman pentavalentes
18
AGO v.2018 9
Como el GaAs es un semiconductor compuesto, hay una mescla en entre los
dos átomos diferentes de acuerdo a sus respectivos electrones de valencia,
como se muestra en la figura.
Cada átomo está rodeado por átomos del tipo complementario.
Siguen existiendo
electrones de valencia
compartidos, similares en
estructura a la de Ge y Si,
pero ahora el átomo de As
aporta cinco electrones y el
átomo de Ga tres.
19
Saturación de Valencia
Hemos dicho que cada átomo en un cristal de silicio tiene 8 electrones

en su orbital de valencia. Estos 8 electrones producen una estabilidad
química que da como resultado un cuerpo regular compacto de silicio.
Cuando no existen ocho electrones de forma natural en un elemento,

éste tiende a combinarse y a compartir electrones con otros átomos
para obtener ocho electrones en el orbital exterior.
Estableciendo como una ley tenemos:

Saturación de Valencia: n = 8
El orbital de valencia no puede soportar más de ocho electrones.

Además, los 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados
por encontrarse fuertemente unidos a los átomos.
Debido a estos electrones ligados, un cristal de silicio puro es casi un

aislante perfecto.
20
AGO v.2018 10
Temperatura ambiente es la temperatura de aire circundante.
Cuando la temperatura ambiente es mayor que el cero absoluto

(-273 ºC), la energía térmica hace que los átomos en un cristal de
silicio vibren dentro del cristal.
Esto puede hacer que se desligue un electrón del orbital de valencia,

convirtiéndose en un electrón libre.
La salida del electrón deja un vacío, que se

denomina hueco, en el orbital de valencia, y que se
comporta como una carga positiva porque, como ya
se ha visto, la pérdida de un electrón produce un
ión positivo.
Por lo tanto, el vacío resultante

aceptará con facilidad un electrón libre
21
Recombinación y tiempo de vida
En un cristal de silicio puro se crean igual número de electrones libres que

de huecos debido a la energía térmica (calor). Los electrones libres se mueven
de forma aleatoria a través del cristal.
En ocasiones, un electrón libre se aproxima a un hueco y cae en él. Esta unión

de un electrón libre y de un hueco se llama recombinación, y provoca la
desaparición del hueco.
Tiempo de vida, es el tiempo que

transcurre entre la creación y la
recombinación de un electrón libre.
(nanoseg. a microsegundos).
22
AGO v.2018 11
Ideas principales
Al interior de un cristal de silicio:
1.- Creación de electrones libres y huecos por la acción de la energía

térmica.
2.- Recombinación de electrones libres y huecos.
3.- Existencia de electrones libres y huecos esperando una

recombinación.
23
Ejemplo
Si un cristal puro de silicio tiene un millón de electrones libres:
¿Cuántos huecos tiene?
¿Qué sucede con el número de electrones libres y huecos si aumenta
la temperatura ambiente?
 Observando la figura. Cuando la energía térmica

crea un electrón libre, al mismo tiempo crea
automáticamente un hueco. Por tanto, un cristal
puro siempre tiene el mismo número de huecos
que de electrones libres. Si hay un millón de
electrones libres, habrá un millón de huecos.
 Una temperatura mayor aumenta las vibraciones a

nivel atómico, lo cual supone la creación de más
electrones libres y huecos.
24
AGO v.2018 12
Semiconductores Intrínsecos
Semiconductor Intrínseco: Es un semiconductor puro.
El término intrínseco se aplica a cualquier material semiconductor que

haya sido cuidadosamente refinado para reducir el número de
impurezas a un nivel muy bajo; en esencia, lo más puro posible que
se pueda fabricar utilizando tecnología actual.
Un cristal de silicio es un semiconductor intrínseco si cada átomo del

cristal es un átomo de silicio.
A temperatura ambiente, un cristal de silicio se comporta más o

menos como un aislante, ya que tiene solamente unos cuantos
electrones libres y sus huecos correspondientes producidos por la
energía térmica que posee dicho cristal.
25
Flujo de electrones libres
Figura: Parte de un cristal

de silicio situado entre dos
placas metálicas cargadas
Suposición: Energía térmica ha producido un electrón libre y un hueco.

Electrón libre se halla en un orbital de mayor energía en el extremo
derecho del cristal.
Debido a que el electrón está cerca de la placa negativa, es repelido

por ésta, de forma que se desplaza hacia la izquierda de un átomo a
otro hasta que alcanza la placa positiva.
26
AGO v.2018 13
Flujo de huecos
El hueco de la izquierda atrae al electrón de valencia en el punto A, lo

que provoca que dicho electrón se desplace hacia el hueco.
Cuando el electrón de valencia en el punto A se mueve hacia la

izquierda, crea un nuevo hueco en este punto.
Los electrones de valencia pueden

moverse a lo largo de la trayectoria
indicada por las flechas.
El hueco tiene una trayectoria en

sentido opuesto al electrón de
valencia. (Trayectoria A-B-C-D-E-F).
27
Dos Tipos de Flujo
Semiconductor Intrínseco
 Mismo número de electrones libres que de huecos
 Energía térmica produce electrones libres y huecos por pares.
Tensión aplicada forzará los electrones libres a circular hacia la izquierda

y a los huecos hacia la derecha.
Además, los electrones libres en el

terminal negativo de la batería circularán
hacia el extremo del derecho del cristal.
En ese punto se recombinan con los

huecos que llegan al extremo derecho del
cristal.
Finalmente, se produce un flujo estable de

electrones libres y huecos dentro del
semiconductor.
28
AGO v.2018 14
Los electrones libres y huecos se mueven en direcciones opuestas.
Se concebirá la corriente en un semiconductor como el efecto

combinado de los dos tipos de flujo: flujo de electrones libres y
flujo de huecos.
Los electrones libres y huecos reciben el nombre de portadores

debido a que transportan la carga eléctrica de un lugar a otro.
Semiconductor intrínseco  Número igual de huecos y electrones

libres que pueden moverse por el
cristal.
ni: Concentración de electrones libres.

pi: Concentración de huecos. ni  pi
29
En el silicio hay 5 x 1022 átomos/cm3.
A temperatura ambiente hay ni ≈ 1,5 x 1010 electrones libres por cm3

(15 mil millones); pero sólo 1 electrón por cada 1,3 x 1013 electrones
de valencia aprox. se ha liberado de su enlace a temperatura
ambiente.
Movilidad Relativa (µn) de los

portadores libres en el material, es
la capacidad de los electrones libres
de moverse por todo el material.
30
AGO v.2018 15
Cuanto más alta sea la temperatura, mayor será la velocidad de
generación.
Una concentración más alta de portadores proporciona una mayor

capacidad al material para conducir la corriente eléctrica. Luego, la
conductividad de un semiconductor intrínseco aumenta con la temp.
Al aumentar la concentración de huecos y electrones libres aumenta

también la recombinación.
A una temp. determinada existe un equilibrio en que la velocidad de

recombinación iguala a la velocidad de generación de portadores de
carga.
31
Semiconductores Extrínsecos
Dopaje de un semiconductor
Las características de un material semiconductor se pueden modificar

de manera significativa con la adición de átomos de impureza
específicos al material semiconductor relativamente puro.
Un material semiconductor que ha sido sometido al proceso de dopado

se conoce como material extrínseco.
Estas impurezas, aunque sólo se agregan en 1 parte en 10 millones,

pueden alterar la estructura de las bandas lo suficiente para cambiar
del todo las propiedades eléctricas del material.
Hay dos materiales extrínsecos de importancia en la fabricación de

dispositivos semiconductores: materiales tipo n y tipo p.
32
AGO v.2018 16
Aumento del número de electrones libres
1.- Fundir un cristal puro de silicio para romper los enlaces covalentes
y cambiar el estado del silicio de sólido a líquido.
2.- Se añaden átomos pentavalentes al silicio fundido para aumentar

los electrones libres. (Ej: Arsénico, Antimonio y Fósforo). Donación de
un electrón extra al cristal del silicio (impurezas donadoras).
3.- El cristal de silicio se enfría y vuelve a su estado sólido.

En el centro se halla un átomo pentavalente rodeado por cuatro
átomos de silicio.
Los átomos vecinos comparten un

electrón con el átomo central, pero en
este caso queda un electrón adicional.
Cada átomo pentavalente (o donante)

produce un electrón libre.
33
Un semiconductor se puede dopar ligera o fuertemente.
• Semiconductor dopado ligeramente  Resistencia alta.
• Semiconductor dopado fuertemente  Resistencia pequeña.
34
AGO v.2018 17
Aumento del número de huecos
Se utiliza una impureza trivalente, una impureza cuyos átomos tengan

sólo 3 electrones de valencia (Ej: Aluminio, Boro o Galio).
Átomo trivalente en el centro, rodeado por cuatro átomos de silicio,

cada uno compartiendo uno de sus electrones de valencia.
Hay sólo 7 electrones en el orbital de valencia (en lugar de 8).

Aparece un hueco en el orbital de valencia de cada átomo trivalente.
Un átomo trivalente se denomina

también átomo aceptor, porque cada uno
de los huecos con que contribuye
puede aceptar un electrón libre durante la
recombinación
35
Ejemplo
Un semiconductor dopado tiene 10000 millones de átomos de silicio y

15 millones de átomos pentavalentes. Si la temperatura es de 25 ºC:
¿Cuántos electrones libres y huecos hay dentro del semiconductor?
Cada átomo pentavalente aporta un electrón libre. Por tanto, el

semiconductor tiene 15 millones de electrones libres producidos por
dopado.
Casi no habrá huecos ya que los únicos huecos en el semiconductor son

los producidos por excitación térmica.
36
AGO v.2018 18
Semiconductor tipo n (n por Negativo)
Es cuando el semiconductor intrínseco ha sido dopado con una impureza
pentavalente.
En este caso se han agregado muchos electrones libres.
Como en un semiconductor tipo n los

electrones superan a los huecos,
reciben el nombre de portadores
mayoritarios, mientras que a los
huecos se les llama portadores
minoritarios.
e--: Portadores mayoritarios.

h+: Portadores minoritarios.
37
Los electrones libres creados por la impureza agregada se establecen en este
nivel de energía y absorben con menos dificultad una cantidad suficiente de
energía térmica para moverse en la banda de conducción a temperatura
ambiente.
El resultado es que a temperatura ambiente, hay un gran número de portadores

(electrones) en el nivel de conducción y la conductividad del material se
incrementa de manera significativa.
En la banda prohibida tiene un gap, Eg significativamente

menor que el del material intrínseco. 38
AGO v.2018 19
A temperatura ambiente en un material de Si intrínseco hay alrededor de un

electrón libre por cada 1012 átomos.
Si el nivel de dopado es de 1
en 10 millones (107), la razón
1012/107 = 105 indica que la
concentración de portadores
se ha incrementado en una
razón de 100000:1.
39
Carga neta del material es cero, o sea la carga positiva de los donantes
ionizados se equilibra con la carga negativa de los electrones libres.
n  p  ND Donde,
n: Concentración de electrones
P: Concentración de huecos
ND: Concentración de átomos donantes.
No sólo aumenta la concentración de electrones libres (átomos

donantes), también se reduce la concentración de huecos, debido a
que hay más posibilidades de recombinación.
40
AGO v.2018 20
Ley de acción de masas: Producto
de la concentración de huecos por la
concentración de electrones libres es
pn  pi ni
constante:
Y se sabe, ni  pi
pn  ni
2
Por lo tanto,
41
Semiconductor tipo p (positivo)
Es cuando el semiconductor intrínseco ha sido dopado con una
impureza trivalente.
En este caso se han agregado muchos huecos.
Como en un semiconductor tipo p los huecos superan a los electrones:
h+: Portadores mayoritarios.

e-- : Portadores minoritarios.
42
AGO v.2018 21
En este caso (material p):
NA  n  p Donde,
n: Concentración de electrones
P: Concentración de huecos
NA: Concentración de átomos aceptores
pn  ni
2
En general, con ambos tipos de dopantes:
N A  n  ND  p
43
Notar que aun cuando un gran número de portadores libres se ha
establecido en el material tipo n o tipo p, sigue siendo eléctricamente
neutro.
Esto porque de manera ideal el número de

protones de carga positiva en los núcleos sigue
siendo igual al de los electrones de carga
negativa libres y en órbita en la estructura.
Los materiales tipo n y p representan los bloques de construcción

básicos de los dispositivos semiconductores.
44
AGO v.2018 22
Bibliografía
Para temas de materiales semiconductores:
 Robert Boylestad, Electrónica: Teoría de Circuitos y Disp. Electrónicos, capítulo 1.

 Albert Malvino, Principios de Electrónica, capítulo 2.
45
AGO v.2018 23

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El modelo de Bohr de los tres componentes:

El cobre es un buen conductor. El núcleo o

Los electrones se ubican en distintas capas.

Materiales Conductores y Aislantes

Núcleo atómico atrae a los electrones orbitales.

La Fuerza Centrífuga equilibra la atracción

Cuanto más lejana es la orbita del electrón

Electrón más alejado  Velocidad Menor.

Es este orbital exterior el que determina las propiedades eléctricas

Ejemplo, para el átomo de cobre:

Parte interna = Núcleo (+29) + Primeros

Carga resultante = +1.

La energía que mantiene el electrón de

Materiales Conductores y Aislantes

Fuerza externa puede arrancar fácilmente el electrón (Electrón libre).

La tensión más pequeña puede hacer que los electrones libres de un

El término libre se aplica a cualquier electrón que se haya separado

Otras causas externas incluyen, por ejemplo, efectos como energía

Dentro de la estructura atómica de cada átomo aislado hay niveles

Cuanto más alejado está un electrón del núcleo, mayor es su estado de

Materiales Conductores y Aislantes

1 eV es la energía adquirida por un electrón al acelerarlo a través de una

Un electrón en la banda de valencia de silicio debe absorber más

Asimismo, un electrón en la banda de valencia de arseniuro de galio

Esta diferencia en los requerimientos de las brechas de energía revela

 Cuando el electrón de valencia se va, la carga resultante del átomo es de

 Cuando un electrón exterior entra dentro del orbital de valencia, la carga

Pasado  era más fácil de purificar, aunque

Inconveniente  Excesiva corriente inversa.

Un átomo de silicio aislado tiene 14

Pasado -> material abundante pero

Presente -> Es el material principal

Átomo de Silicio: 14 protones y 14

Parte interna ->

En un cristal de silicio o germanio puros, los cuatro electrones de

Cada átomo de silicio comparte sus electrones de valencia con los

Átomo central  mantiene 4 electrones propios y agrega 4 electrones

Los electrones dejan de pertenecer a un solo átomo, ya que cada

Hay 8 electrones "compartidos" en el orbital de valencia.

Cada uno de los electrones compartidos está siendo atraído en

En un cristal de silicio hay miles de millones de átomos de silicio, cada

Los electrones de valencia mantienen unido el cristal dándole solidez.

En un cristal de silicio o germanio

Es un material semiconductor compuesto de galio y arsénico. Tiene

Los átomos que tienen cuatro electrones de valencia se llaman tetravalentes;

Cada átomo está rodeado por átomos del tipo complementario.

Hemos dicho que cada átomo en un cristal de silicio tiene 8 electrones

Cuando no existen ocho electrones de forma natural en un elemento,

Estableciendo como una ley tenemos:

El orbital de valencia no puede soportar más de ocho electrones.

Debido a estos electrones ligados, un cristal de silicio puro es casi un

Cuando la temperatura ambiente es mayor que el cero absoluto

Esto puede hacer que se desligue un electrón del orbital de valencia,

La salida del electrón deja un vacío, que se

Por lo tanto, el vacío resultante

En un cristal de silicio puro se crean igual número de electrones libres que

En ocasiones, un electrón libre se aproxima a un hueco y cae en él. Esta unión

Tiempo de vida, es el tiempo que