Semiconductores intrínsecos y extrínsecos

Para comprender el funcionamiento de los detectores de semiconductor es preciso analizar la estructura de la materia y su comportamiento ante la conducción de la corriente eléctrica. Los niveles de energía de los electrones en los átomos que forman parte de un cristal no coinciden con los niveles de energía de los electrones para átomos aislados. A diferencia de un gas, en el que se pueden despreciar las influencias de unos átomos con otros, y los niveles de energía no se ven modificados, en un sólido cristalino, los electrones se ven sometidos no sólo al campo eléctrico creado por su propio ion, sino también a los campos eléctricos creados por todos los átomos de su alrededor. De esta forma, los niveles de energía de los electrones interiores no se ven apenas modificados mientras que los niveles de los electrones exteriores cambian extraordinariamente, ya que estos electrones están solicitados por más de un átomo del cristal. El acoplamiento entre las capas exteriores de electrones de los átomos da como resultado una banda de estados de energía muy próximos entre sí, en lugar de los niveles de energía discretos muy separados del átomo aislado. Por tanto, un solo nivel energético atómico en el caso de un átomo aislado se divide en una banda de un gran número de niveles energéticos que están muy próximos en su valor de la energía. Debido a que el número de niveles en la banda es tan grande, se encuentran espaciados de un modo casi continuo dentro de la misma. Existe una banda separada de niveles para cada nivel energético particular del átomo aislado. Las bandas de energía correspondientes a estos niveles individuales, en el caso de un número grande de átomos en un sólido, pueden estar ampliamente separadas en energía, pueden ser cercanas o incluso pueden solaparse dependiendo del tipo de átomo y del tipo de enlace en el cristal.

La resolución de la ecuación de Schrödinger para potenciales periódicos de una red cristalina predice que entre bandas adyacentes de energía hay regiones o bandas prohibidas donde no se tienen niveles permitidos de energía. La naturaleza de las bandas de energía determina si el material es un conductor, un semiconductor o un aislante. En los aislantes y semiconductores en el cero absoluto de temperatura los electrones más externos (llamados electrones de valencia) llenan completamente la banda ocupada más alta, llamada por esto banda

de valencia. La siguiente banda más alta, llamada banda de conducción, está completamente

vacía a esta temperatura. La figura 2.5 muestra tres tipos posibles de estructura de bandas para un sólido.

Las diferencias de comportamiento en los sólidos frente a la conducción eléctrica pueden explicarse a partir de su diagrama de bandas de energía. En los aislantes, la distancia energética (o Gap) entre la banda de valencia (que se pueden considerar como estado energéticos que implican la ligadura del electrón a su ion) y la banda de conducción (donde hay una gran cantidad de estados energéticos libres) es muy grande. Hay que hacer notar que cuando se dice que la distancia entre bandas es grande, significa, que se debe aportar una gran cantidad de energía a los electrones para que cambien de estado. Esta situación se muestra en la figura 2.5 a. En contraposición, la figura 2.5c corresponde a un material conductor. Como se observa, en este tipo de materiales, las dos bandas están superpuestas y el fenómeno de la conducción se da siempre, no siendo necesario ningún aporte adicional de energía para que exista la conducción.

(a) (b) (c)

Figura 2.5 Diagrama de bandas de energía para (a) aislantes, (b) semiconductores, (c)

conductores.

Si la distancia entre las dos bandas energéticas es pequeña significa que aportando al material una pequeña cantidad de energía, habrá electrones que puedan pasar de la banda de valencia a la de conducción, o lo que es lo mismo, que dejen de estar ligados a sus respectivos átomos y pueden contribuir a la conducción. Esta situación, reflejada en la figura 2.5b, es la que presentan los semiconductores. La anchura de la banda prohibida (o energía del Gap) es en estos casos del orden del 1 eV frente a la de 10 eV o más típica de los aislantes. Así, por ejemplo, el germanio, que es un semiconductor muy utilizado para construir detectores de radiación, tiene un gap de 0.7 y el silicio, posiblemente el semiconductor más utilizado, lo tiene de 1.1 eV. El aporte de energía adicional puede conseguirse aumentando su temperatura, irradiando el material o aplicando un campo eléctrico. En esta situación, no sólo los electrones que han pasado a la banda de conducción contribuyen a la conducción, ya que éstos dejan un hueco en la banda de valencia que puede ser ocupado por otro electrón de la banda de valencia.

Los elementos semiconductores más utilizados son el silicio y el germanio aunque existen otros elementos como el estaño, y compuestos, como el arseniuro de galio que se comportan

como tales. El germanio y el silicio pertenecen al grupo IVA de la tabla periódica por lo que poseen cuatro electrones de valencia, Esto hace que los átomos de estas sustancia se asocien mediante enlace covalente para formar el sólido cristalino. En este tipo de enlace cada átomo de silicio se encuentra rodeado de cuatro vecinos próximos con los que comparte sus cuatro electrones de valencia completando así, en cierto sentido, su última capa. La figura 2.6a se representa un modelo bidimensional de la red cristalina del silicio (la del germanio sería análoga).

Figura 2.6 (a) Modelo bidimensional de los enlaces en un cristal puro de silicio a

temperaturas muy próximas al cero absoluto. (b) Mecanismo de formación de un par electrón – hueco. (c) Diagrama energético del mecanismo de formación de pares electrón hueco. Un electrón absorbiendo energía (térmica, radiación) pasa a la banda de conducción dejando un hueco en la banda de valencia.

A temperaturas próximas al cero absoluto, todos los electrones hacen el papel de enlace y tienen energías correspondientes a la banda de valencia, que está completa, se comporta como un aislante perfecto. A temperaturas superiores al cero absoluto, algunos electrones de la banda de valencia pueden adquirir suficiente energía térmica, y al superar la banda prohibida, pasar a la banda de conducción, lo cual quiere decir que estos electrones han dejado los enlaces y se han convertido en electrones libres en el sentido de que pueden moverse por el cristal bajo la influencia de cualquier campo exterior aplicado. Cuanto más elevada sea la temperatura, mayor será el número de electrones que alcanzan la banda de conducción, a temperatura ambiente ese número es suficiente como para poder decir que el semiconductor conduce la corriente eléctrica.

Como se muestra en la figura 2.6b, un electrón de valencia que se ha convertido en electrón de conducción, deja una vacante, de forma que, si se aplica un campo eléctrico al semiconductor, ésta puede ser ocupada por otro electrón de valencia que deja, a su vez, una nueva vacante en la región donde se encontraba. El efecto es el de una carga positiva con la misma carga que el electrón moviéndose en la dirección del campo eléctrico, ésta vacante que se desplaza por la red se denomina hueco y se considera como un portador de carga que contribuye a la conducción. El concepto de hueco como partícula cargada es un artificio que permite describir

de forma sencilla el proceso complejo de movimiento de los electrones de valencia en una capa incompleta.

Paralelamente al proceso de generación térmica de pares electrón hueco se produce el de recombinación; algunos electrones de la banda de conducción pueden perder energía (emitiéndola en forma de radiación luminosa, por ejemplo) y pasar a la banda de valencia ocupando un nivel energético que estaba libre, es decir, recombinándose con un hueco. Si la temperatura se mantiene constante, los procesos de generación y recombinación están equilibrados de forma que existirá el mismo número de huecos en la banda de conducción que en la banda de valencia. A un semiconductor puro, como el descrito se le denomina semiconductor intrínseco.

La conductividad de un semiconductor intrínseco como el germanio o el silicio, se puede mejorar si añade un pequeño porcentaje de átomos trivalentes o pentavalentes. A un semiconductor de este tipo, se le denomina semiconductor extrínseco y el proceso de adicción de estas impurezas se suele denominar dopado del semiconductor. Los semiconductores dopados con impurezas pentavalentes se denominan semiconductores tipo N, mientras que los que incorporan impurezas trivalentes se denominan de tipo P.

En un semiconductor del tipo N los átomos de la impureza desplazarán algunos átomos de silicio (o germanio) del cristal. Cuatro de los cinco electrones de valencia ocuparán enlaces covalentes, y el quinto quedará inicialmente sin enlace (figura 2.7a). Este electrón sobrante del átomo pentavalente no ejerce ninguna función sobre el enlace covalente, es decir, no contribuye a mantener unido el cristal y estará débilmente unido al átomo de forma que la energía requerida para liberarlo es mucho menor que la necesaria para romper un enlace covalente. Este hecho se traduce, desde el punto de vista energético, en la aparición de niveles energéticos permitidos a muy poca distancia de la banda de conducción como se muestra en la figura 2.7b.

Figura 2.7 (a) Semiconductor tipo N de silicio dopado con impurezas pentavalentes de

antimonio (Sb) (b) Diagrama de bandas de un semiconductor tipo N.

A bajas temperaturas el electrón estará ligado a su átomo, pero al aumentar la temperatura pasará fácilmente a la banda de conducción, posibilitando así, la conducción eléctrica,

sin que se hayan formado pares electrón hueco, ya que no se ha roto ningún enlace. Estas impurezas que ceden electrones se denominan impurezas donadoras y los niveles energéticos que introducen, niveles donadores. Si se aumenta lo suficiente la temperatura comenzarán a romperse los enlaces y a formarse, por tanto, pares electrón-hueco de forma que la conducción se llevará a cabo por ambos tipos de portadores, no obstante, la concentración de electrones de conducción será mucho mayor que la de huecos en la banda de valencia de forma que los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos minoritarios. Dado que las impurezas están presentes en cantidades siempre muy pequeñas, a temperaturas elevadas el número de pares de portadores formados puede llegar a ser mucho mayor que el número de átomos de impurezas y el semiconductor se comportará como intrínseco. Las impurezas pentavalentes que se suelen emplear son antimonio, fósforo y arsénico.

Figura 2.8 (a) Semiconductor tipo P de silicio dopado con impurezas trivalentes de Indio (In).

(b) Diagrama de bandas de un semiconductor tipo P.

En los semiconductores tipo P las impurezas son átomos con tres electrones de valencia que al intercalarse en la red cristalina dejan un enlace por átomo sin completar (figura 2.8a). Esto da como resultado la aparición de niveles energéticos próximos a la banda de valencia (figura 2.8b), que se denominan niveles aceptores. A temperaturas próximas al cero absoluto, estos niveles están vacíos, al aumentar la temperatura algunos electrones de la banda de valencia se promocionarán hasta estos niveles provocando la aparición de un hueco. Los electrones situados en los niveles aceptores no contribuyen a la conducción ya que forman parte de un enlace. Sin embargo, los huecos que han dejado en la banda de valencia sí contribuyen, de forma que aunque la temperatura sea suficientemente alta para que se produzcan pares electrón–hueco, la conducción en los semiconductores tipo P se debe fundamentalmente a huecos. De la misma forma que en el caso de los semiconductores tipo N, a temperaturas elevadas la concentración intrínseca llega a enmascarar a la extrínseca y el semiconductor se comporta como si fuese puro.