Dopaje en semiconductores
El silicio puro o el germanio rara vez se utilizan como semiconductores. Los semiconductores prácticamente utilizables deben tener una cantidad controlada de impurezas añadidas. La adición de impurezas cambiará la capacidad del conductor y actúa como semiconductor. El proceso de agregar una impureza a un material intrínseco o puro se llamadoping y la impureza se llama dopant. Después del dopaje, un material intrínseco se convierte en material extrínseco. Prácticamente solo después del dopaje estos materiales se vuelven utilizables.
Cuando se agrega una impureza al silicio o al germanio sin modificar la estructura cristalina, se produce un material de tipo N. En algunos átomos, los electrones tienen cinco electrones en su banda de valencia, como el arsénico (As) y el antimonio (Sb). El dopaje de silicio con cualquier impureza no debe cambiar la estructura cristalina ni el proceso de unión. El electrón extra del átomo de impureza no participa en un enlace covalente. Estos electrones están débilmente unidos por sus átomos originarios. La siguiente figura muestra la alteración del cristal de silicio con la adición de un átomo de impureza.
Efecto del dopaje sobre material tipo N
El efecto del dopaje en un material tipo N es el siguiente:
Al agregar arsénico al silicio puro, el cristal se convierte en un material de tipo N.
El átomo de arsénico tiene electrones adicionales o cargas negativas que no participan en el proceso de enlace covalente.
Estas impurezas ceden o donan un electrón al cristal y se denominan impurezas donantes.
Un material de tipo N tiene electrones libres o adicionales que un material intrínseco.
Un material de tipo N no tiene carga negativa. En realidad, todos sus átomos son eléctricamente neutros.
Estos electrones adicionales no participan en el proceso de enlace covalente. Son libres de moverse a través de la estructura cristalina.
Un cristal de silicio extrínseco tipo N entrará en conducción con solo 0.005eV de energía aplicada.
Solo se requieren 0,7 eV para mover electrones de cristal intrínseco desde la banda de valencia a la banda de conducción.
Normalmente, se considera que los electrones son los portadores de corriente mayoritarios en este tipo de cristal y los huecos son los portadores de corriente minoritarios. La cantidad de material donante agregado al silicio determina el número de portadores actuales mayoritarios en su estructura.
El número de electrones en un silicio de tipo N es muchas veces mayor que los pares de electrones y huecos del silicio intrínseco. A temperatura ambiente, existe una marcada diferencia en la conductividad eléctrica de este material. Hay abundantes portadores de corriente para participar en el flujo de corriente. El flujo de corriente se logra principalmente mediante electrones en este tipo de material. Por tanto, un material extrínseco se convierte en un buen conductor eléctrico.
Efecto del dopaje sobre material tipo P
El efecto del dopaje en un material tipo P es el siguiente:
Cuando se agrega indio (In) o galio (Ga) al silicio puro, se forma un material tipo P.
Este tipo de material dopante tiene tres electrones de valencia. Están buscando ansiosamente un cuarto electrón.
En material tipo P, cada agujero se puede llenar con un electrón. Para llenar este área de huecos, los electrones de los grupos unidos covalentes vecinos requieren muy menos energía.
El silicio se dopa típicamente con material de dopaje en el rango de 1 a 106. Esto significa que el material P tendrá muchos más huecos que los pares de electrones y huecos de silicio puro.
A temperatura ambiente, existe una diferencia característica muy determinada en la conductividad eléctrica de este material.
La siguiente figura muestra cómo se altera la estructura cristalina del silicio cuando se dopa con un elemento aceptor, en este caso, indio. Una pieza de material P no tiene carga positiva. Sus átomos son principalmente todos eléctricamente neutros.
Sin embargo, existen huecos en la estructura covalente de muchos grupos de átomos. Cuando un electrón entra y llena un agujero, el agujero se vacía. Se crea un nuevo agujero en el grupo unido donde salió el electrón. En efecto, el movimiento del agujero es el resultado del movimiento de los electrones. Un material tipo P entrará en conducción con solo 0.05 eV de energía aplicada.
La figura anterior muestra cómo responderá un cristal tipo P cuando se conecte a una fuente de voltaje. Tenga en cuenta que hay más huecos que electrones. Cuando se aplica voltaje, los electrones se atraen al terminal positivo de la batería.
Los agujeros se mueven, en cierto sentido, hacia el terminal negativo de la batería. En este punto se recoge un electrón. El electrón llena inmediatamente un agujero. Entonces, el agujero se vuelve vacío. Al mismo tiempo, el terminal positivo de la batería extrae un electrón del material. Por lo tanto, los agujeros se mueven hacia el terminal negativo debido a que los electrones se desplazan entre diferentes grupos unidos. Con la energía aplicada, el flujo del pozo es continuo.