SEMICONDUCTOR: Clase de sólidos, cuya habilidad para conducir electricidad, está entre la de un conductor y la de un aislante.
Conceptos Funcionales Básicos – Teoría de los Semiconductores
1. Materiales Cristalinos y Amorfos
Los materiales sólidos se dividen en cristalinos y amorfos. Los materiales cristalinos, como el cuarzo o la sal de mesa, presentan un ordenamiento regular de sus átomos, tanto interna como externamente. Este orden repetitivo se denomina estructura cristalina básica. En contraste, los materiales amorfos, como la goma o el vidrio, carecen de un orden definido.
Algunos cristales individuales, llamados monocristales, pueden cortarse en placas o barras, como sucede con los cristales de germanio y silicio usados en electrónica.
Fig.1 . Átomo de impureza donora en un semiconductor.
Fig. 1b - Átomo de impureza aceptora en un semiconductor.
2. Naturaleza de los Semiconductores
Los semiconductores son materiales cuyas propiedades eléctricas están entre las de un conductor y un aislador. En condiciones normales, no conducen electricidad de forma eficiente, pero pueden hacerlo bajo ciertas circunstancias. Ejemplos de semiconductores incluyen:
- Germanio
- Silicio
- Selenio
- Carburo de silicio
- Sulfuro de cobre
Estructura Atómica y Conducción Intrínseca
En semiconductores puros como el silicio y el germanio, cada átomo tiene cuatro electrones de valencia, formando ligaduras covalentes con los átomos vecinos. A temperaturas bajas, estas ligaduras son estables y no permiten el movimiento de electrones. Sin embargo, al aumentar la temperatura, algunas ligaduras se rompen, liberando electrones libres y generando lagunas (huecos vacíos). Este proceso da lugar a la conducción intrínseca, donde los electrones se mueven hacia el polo positivo y las lagunas, de manera aparente, hacia el polo negativo.
3. Impurezas y Conducción Extrínseca
La conductividad eléctrica de los semiconductores puede mejorarse mediante la adición de impurezas (dopado). Existen dos tipos de semiconductores dopados:
a) Material tipo n
- Se introduce un átomo con cinco electrones de valencia (impureza donora), como el fósforo o el arsénico.
- Cuatro electrones forman ligaduras con el cristal, pero el quinto electrón queda libre y puede moverse, generando cargas negativas.
- Resultado: conducción eléctrica por electrones libres.
b) Material tipo p
- Se introduce un átomo con tres electrones de valencia (impureza aceptora), como el boro o el aluminio.
- Tres electrones forman ligaduras, pero queda una laguna (hueco vacío) que puede ser llenada por un electrón cercano.
- La laguna se desplaza a través del cristal, generando cargas positivas aparentes.
Fig. 2.Polarización de la juntura
En resumen, la conducción en semiconductores contaminados incluye:
- Conducción intrínseca: Por agitación térmica en materiales puros.
- Conducción por electrones: En materiales tipo n (portadores negativos).
- Conducción por lagunas: En materiales tipo p (portadores positivos).
4. La Juntura p-n
La combinación de materiales tipo p y tipo n forma una juntura p-n, base fundamental de los dispositivos semiconductores.
Funcionamiento de la juntura
-
Polarización directa:
- La región p se hace positiva y la n negativa.
- Las lagunas y los electrones libres son empujados hacia la juntura, donde se recombinan.
- Esto permite el flujo de corriente eléctrica (baja resistencia).
-
Polarización inversa:
- La región p se hace negativa y la n positiva.
- Las lagunas y los electrones son alejados de la juntura, bloqueando el flujo de corriente (alta resistencia).
La juntura p-n actúa como un rectificador, permitiendo el paso de corriente en un sentido y bloqueándola en el opuesto.
5. Características de los Diodos Semiconductores
Los diodos semiconductores presentan una curva característica voltio-amperio (Figura 3):
- Corriente directa: Flujo significativo de corriente cuando la juntura está polarizada directamente.
- Corriente inversa: Flujo muy pequeño de corriente cuando la juntura está polarizada inversamente.
Figura 3 : Características voltio-amperio estáticade un diodo semiconductor típico
Fig. 4 - Caracteristica estática de resistencia de un diodo semiconductor.
La resistencia del diodo varía según la polarización aplicada (Figura 4):
- Baja resistencia en polarización directa.
- Alta resistencia en polarización inversa.
6. Diodos Fotoemisivos (LED)
Los diodos fotoemisivos o LEDs (Light Emitting Diodes) son dispositivos basados en una juntura p-n que emite luz cuando se polariza directamente.
Principio de funcionamiento
- La corriente directa inyecta portadores en la juntura p-n.
- Los electrones (portadores mayoritarios en la región n) se recombinan con las lagunas (portadores mayoritarios en la región p).
- Esta recombinación libera energía en forma de fotones (luz).
Requisitos para un LED eficiente
- Material adecuado: Selección de semiconductores con alta pureza.
- Impurezas controladas: Dopado preciso para optimizar la recombinación de portadores.
- Rendimiento interno: Conversión casi completa de energía eléctrica en luz (eficiencia cuántica).
- Eficiencia de potencia lumínica: Lograr hasta un 25% de conversión de energía eléctrica en energía lumínica.
Fig. 5 - Los diodos fotoemisivos .
La Figura 5(A) ilustra el funcionamiento de un LED sin polarización, donde la barrera de juntura impide la recombinación de portadores. La Figura 5(B) muestra cómo la polarización directa supera esta barrera, permitiendo el flujo de corriente y la emisión de luz.
Términos destacados:
- Átomo de impureza (Impurity Atom)
- Barreras de potencial (Potential Barriers)
- Campo eléctrico (Electric Field)
- Carga eléctrica (Electric Charge)
- Coeficiente térmico negativo (Negative Thermal Coefficient)
- Conducción eléctrica (Electrical Conduction)
- Conducción extrínseca (Extrinsic Conduction)
- Conducción intrínseca (Intrinsic Conduction)
- Corriente inversa (Reverse Current)
- Corriente directa (Forward Current)
- Cristal semiconductor (Semiconductor Crystal)
- Diodo (Diode)
- Diodo fotoemisivo (Light Emitting Diode - LED)
- Electrones libres (Free Electrons)
- Eficiencia cuántica (Quantum Efficiency)
- Energía lumínica (Light Energy)
- Impureza aceptora (Acceptor Impurity)
- Impureza donora (Donor Impurity)
- Juntura p-n (p-n Junction)
- Laguna (Hole)
- Ligaduras covalentes (Covalent Bonds)
- Material tipo n (n-Type Material)
- Material tipo p (p-Type Material)
- Monocristal (Single Crystal)
- Polarización directa (Forward Bias)
- Polarización inversa (Reverse Bias)
- Portadores mayoritarios (Majority Carriers)
- Portadores minoritarios (Minority Carriers)
- Recombinación de portadores (Carrier Recombination)
- Rectificador (Rectifier)
- Resistencia eléctrica (Electrical Resistance)
- Semiconductor (Semiconductor)
- Silicio (Silicon)
- Temperatura (Temperature)
- Tensión aplicada (Applied Voltage)
Conclusión
La teoría de los semiconductores es fundamental en la electrónica moderna. Los semiconductores intrínsecos (puros) y extrínsecos (dopados) poseen propiedades que permiten el desarrollo de dispositivos como diodos y LEDs.
La combinación de materiales tipo p y tipo n en una juntura p-n genera un efecto rectificador, permitiendo aplicaciones como rectificadores, emisores de luz y otros componentes electrónicos esenciales.
El uso de materiales eficientes, técnicas de dopado controlado y la comprensión de la recombinación de portadores han permitido que los LEDs logren altos niveles de eficiencia lumínica, contribuyendo al desarrollo de tecnologías energéticamente eficientes.
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