Apuntes de electrónica

Dopado de un semiconductor

Para aumentar la conductividad (que sea más conductor) de un SC (Semiconductor), se le suele dopar o añadir átomos de impurezas a un SC intrínseco, un SC dopado es un SC extrínseco.
Caso 1
Impurezas de valencia 5 (Arsénico, Antimonio, Fósforo). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 5.

Los átomo de valencia 5 tienen un electrón de más, así con una temperatura no muy elevada (a temperatura ambiente por ejemplo), el 5º electrón se hace electrón libre. Esto es, como solo se pueden tener 8 electrones en la órbita de valencia, el átomo pentavalente suelta un electrón que será libre.
Siguen dándose las reacciones anteriores. Si metemos 1000 átomos de impurezas tendremos 1000 electrones más los que se hagan libres por generación térmica (muy pocos).
A estas impurezas se les llama "Impurezas Donadoras". El número de electrones libres se llama n (electrones libres/m³).

Caso 2
Impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro, Galio). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 3.

Los átomo de valencia 3 tienen un electrón de menos, entonces como nos falta un electrón tenemos un hueco. Esto es,  ese átomo trivalente tiene 7 electrones en la orbita de valencia. Al átomo de valencia 3 se le llama "átomo trivalente" o "Aceptor".
A estas impurezas se les llama "Impurezas Aceptoras". Hay tantos huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de generación térmica (muy pocos). El número de huecos se llama p (huecos/m³).

SEMICONDUCTOR DOPADO

Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de la pila intentará atraer los electrones y el negativo los huecos favoreciendo así la aparición de una corriente a través del circuito

Sentido del movimiento de un electrón y un hueco en el silicio

Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos los electrones que podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar el valor de dicha corriente tenemos dos posiblidades:

• Aplicar una tensión de valor superior
• Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exterior

La primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el valor de la tensión aplicada, la corriente que aparece no es de suficiente valor. La solución elegida es la segunda.

En este segundo caso se dice que el semiconductor está "dopado".

El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores.

• Semiconductor tipo P
• Semiconductor tipo N

TIPO N Y TIPO P

Cuando al dopar introducimos átomos con tres electrones de valencia en un elemento de átomos con cuatro estamos formando un semiconductor tipo P, viniendo su nombre del exceso de carga aparentemente positiva (porque los átomos siguen siendo neutros, debido a que tienen igual número de electrones que de protones) que tienen estos elementos. Estos átomos "extraños" que hemos añadido se recombinan con el resto pero nos queda un hueco libre que produce atracción sobre los electrones que circulan por nuestro elemento. También se produce una circulación de estos huecos colaborando en la corriente.

Sin embargo, si los átomos añadidos tienen cinco electrones en su última capa el semiconductor sedenomina de tipo N, por ser potencialmente más negativo que uno sin dopar. En este tipo de materiales tenemos un quinto electrón que no se recombina con los demás y que, por tanto, está libre y vaga por el elemento produciendo corriente. Para hacerse una idea de las cantidades que entran en juego en esto del dopaje se podría decir que se introduce un átomo extraño por cada doscientos millones de átomos del semiconductor.

Hasta ahora hemos descrito la corriente eléctrica como el paso de electrones de un lado a otro pero ha llegado el momento de aumentar este concepto. Como hemos visto la aparición de un hueco produce el movimiento de un electrón hacia él dejando de nuevo un hueco al que irá otro electrón. Este movimiento puede verse desde dos puntos de vista. El primero es el del electrón moviéndose de derecha a izquierda, el segundo sería el del hueco desplazándose de izquierda a derecha. Pues bien, no es correcto ni uno ni otro, sino los dos a la vez. Hay que pensar que tan importante es un movimiento como el otro, y que la corriente eléctrica hemos de concebirla como la suma de los dos. Como veremos, en unos casos será más importante, cuantitativamente hablando, la corriente creada por el movimiento de los electrones y, sin embargo, en otros lo será la creada por los huecos. Se ha adoptado por convenio que la corriente eléctrica lleva el sentido de los huecos, es decir, cuando seguimos el sentido de los electrones la corriente es negativa y positiva en caso contrario.

Debemos dividir a los semiconductores en dos grupos: intrínsecos y extrínsecos. Los semiconductores extrínsecos son aquellos a los que se les ha dopado de alguna forma, produciendo así un semiconductor tipo P o del tipo N. Y los intrínsecos son los que no han sufrido ninguna clase de dopaje

Puesto que el paso de electrones a través de cualquier material siempre produce calor nos va a ser imposible separar los efectos producidos por el dopaje y el aumento de temperatura en un semiconductor; así que ambos efectos se suman y la circulación de electrones y huecos va a ser mayor.

3.1. Portadores mayoritarios y minoritarios

No está completa nuestra explicación sin comentar brevemente lo que se conoce con el nombre de portadores mayoritarios y minoritarios.

Cuando existe corriente dentro de un material hemos visto que es debida a electrones moviéndose hacia un lado y a huecos desplazándose en sentido contrario. Pero las cantidades de unos y otros no tienen por qué ser iguales ni parecidas, esto depende del material por el que circule la corriente. Llamamos portadores mayoritarios a quien contribuya al paso de la corriente en mayor medida y, obviamente, los minoritarios serán aquellos que lo hagan en menor medida.

Si tenemos un material tipo N por el que circula corriente, los portadores mayoritarios serán los electrones que le sobran por el dopaje junto con los electrones que saltan debido al calor y los portadores minoritarios serán los huecos producidos al marcharse los electrones de su sitio. Por el contrario, en un semiconductor tipo P los portadores mayoritarios serán los huecos que tiene en exceso por el dopaje más los huecos que se producen por efecto del calor, mientras que los portadores minoritarios serán los electrones que han saltado de su sitio.

3.2. Unión P-N

Llegados a este punto, cualquiera con un poco de curiosidad se habrá hecho la siguiente pregunta: ¿Qué ocurriría si se juntase un trozo de material tipo P con un trozo de material tipo N? Pues bien, esta pregunta ya se la hizo alguien hace unos cuantos años y dio origen a lo que hoy día se conoce como unión P-N.

De nuevo, como electrónicos que somos, solamente nos interesa algo muy concreto de esta unión, lo cual no es otra cosa que su comportamiento de cara al paso de corriente eléctrica.

Supongamos, primeramente, que hemos unido por las buenas un trozo de material tipo P con uno tipo N; ¿Qué ocurre?, pues que los electrones que le sobran al material tipo N se acomodan en los huecos que le sobran al material tipo P. Pero, ¡ojo!, no todos los de un bando se pasan al otro, solamente lo hacen los que están medianamente cerca de la frontera que los separa. A esto se le llama recombinación

Y ¿Por qué solo unos pocos? Pues porque el hecho de que se vayan los electrones con los huecos es debido a la atracción mutua que existe entre ellos ya que poseen cargas opuestas; sin embargo, una vez que se han pasado cierta cantidad de electrones al otro bando comienza a haber una concentración de electrones mayor de lo normal, lo que provoca que estos empiecen a repelerse entre ellos. Por tanto, se llega a un equilibrio al haberse ido los suficientes electrones para apaciguar la atracción hueco-electrón inicial pero no tantos como para llegar a repelerse entre ellos.

Una vez alcanzado este equilibrio se dice que se ha creado una barrera de potencial. Una barrera de potencial es simplemente una oposición a que sigan pasando los electrones y huecos de un lado a otro. Esta situación permanecerá inalterable mientras no hagamos nada externo para modificarla, es decir, compensar el efecto de esa barrera de potencial con otro potencial aportado por nosotros, por ejemplo, conectándolo a una batería.

3.3 Polarización directa e inversa

Existen dos formas de conectar una batería a una unión P-N. Primero conectar el borne positivo de la batería con el material tipo P y el borne negativo con el material tipo N y la otra conectar el borne positivo con el material tipo N y el borne negativo con el tipo P. A la primera de ellas se la denomina polarización directa y a la segunda polarización inversa. Veamos qué ocurre en cada una de ellas. Al polarizar directamente una unión P-N el polo negativo de la batería está inyectando electrones al material N, mientras que el polo positivo recibe electrones del lado P creándose así una corriente eléctrica. Con esta batería hemos conseguido vencer el obstáculo que se había creado debido a la barrera de potencial existente entre ambos materiales. De nuevo los electrones y los huecos pueden pasar libremente a través de la frontera.

Sin embargo, al polarizar inversamente una unión P-N no se crea una corriente en sentido opuesto sino que, curiosamente, no hay corriente alguna. Esto es por que los huecos libres del tipo P se recombinan con los electrones que proceden del polo negativo de la batería, y los electrones libres del tipo N son absorbidos por ésta, alejándose tanto huecos como electrones de la unión, en vez de vencer nuestra barrera de potencial ésta se ha hecho más grande y no existe corriente; aunque, para ser exactos, sí existe una corriente y esta es la producida por los portadores minoritarios, pero es demasiado pequeña e inapreciable.

http://www.geocities.ws/pnavar2/semicon/tipos.html

 dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor (abreviadamente, SC) extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar.

A los semiconductores con dopajes ligeros y moderados se los conoce como extrínsecos. Un semiconductor altamente dopado, que actúa más como un conductor que como un semiconductor, es llamado degenerado.

El número de átomos dopantes necesitados para crear una diferencia en las capacidades conductoras de un semiconductor es muy pequeña. Cuando se agregan un pequeño número de átomos dopantes (en el orden de 1 cada 100 000 000 de átomos) entonces se dice que el dopaje es bajo o ligero. Cuando se agregan muchos más átomos (en el orden de 1 cada 10 000 átomos) entonces se dice que el dopaje es alto o pesado. Este dopaje pesado se representa con la nomenclatura N+ para material de tipo N, o P+ para material de tipo P.

Esquema del campo eléctrico creado en una célula fotovoltaica mediante la unión pn entre dos capas de semiconductores dopados.

Tipos de materiales dopantes

Tipo N

Se llama material tipo N (o negativo) al que posee átomos de impurezas que permiten la aparición de electrones (de ahí su denominación de negativo o N) sin huecos asociados a los mismos semiconductores. Los átomos de este tipo se llaman donantes ya que "donan" o entregan electrones. Suelen ser de valencia cinco (Grupo V de la tabla periódica), como el Arsénico y el Fósforo. De esta forma, no se ha desbalanceado la neutralidad eléctrica, ya que el átomo introducido al semiconductor es neutro, pero posee un electrón no ligado, a diferencia de los átomos que conforman la estructura original, por lo que la energía necesaria para separarlo del átomo será menor que la necesitada para romper una ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor original).

Finalmente, existirán más electrones que huecos, por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los últimos los minoritarios. La cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.

El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje N). En el caso del Fósforo, se dona un electrón.

Dopaje de tipo N

Tipo P

Se llama así al material que tiene átomos de impurezas que permiten la formación de huecos (de ahí que se denominen P o positivos) sin que aparezcan electrones asociados a los mismos, como ocurre al romperse una ligadura. Los átomos de este tipo se llaman aceptores, ya que "aceptan" o toman un electrón. Suelen ser de valencia tres (grupo III de la tabla periódica), como el Aluminio, el Indio o el Galio. Nuevamente, el átomo introducido es neutro, por lo que no modificará la neutralidad eléctrica del cristal, pero debido a que solo tiene tres electrones en su última capa de valencia, aparecerá una ligadura rota, que tenderá a tomar electrones de los átomos próximos, generando finalmente más huecos que electrones, por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los segundos los minoritarios. Al igual que en el material tipo N, la cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.

El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Boro (dopaje P). En el caso del boro le falta un electrón (de acuerdo con la regla del octeto) y, por tanto, se dona un hueco de electrón.

Dopaje de tipo P

Dopaje en conductores orgánicos

Los polímeros conductores pueden ser dopados al agregar reactivos químicos que oxiden (o algunas veces reduzcan) el sistema, para ceder electrones a las órbitas conductoras dentro de un sistema potencialmente conductor.

Existen dos formas principales de dopar un polímero conductor, ambas mediante un proceso de reducción-oxidación. En el primer método, dopado químico, se expone un polímero, como la melanina (típicamente una película delgada), a un oxidante (típicamente yodo o bromo) o a un agente reductor (típicamente se utilizan metales alcalinos, aunque esta exposición es bastante menos común). El segundo método es el dopaje electroquímico, en la cual un electrodo de trabajo, revestido con un polímero, es suspendido en una solución electrolítica, en la cual el polímero es insoluble, junto al electrodo opuesto, separados ambos. Se crea una diferencia de potencial eléctrico entre los electrodos, la cual hace que una carga (y su correspondiente ion del electrolito) entren en el polímero en la forma de electrones agregados (dopaje tipo N) o salgan del polímero (dopaje tipo P), según la polarización utilizada.

La razón por la cual el dopaje tipo N es mucho menos común es que la atmósfera de la tierra, la cual es rica en oxígeno, crea un ambiente oxidante. Un polímero tipo N rico en electrones reaccionaría inmediatamente con el oxígeno ambiental y se desdoparía (o reoxidaría) nuevamente el polímero, volviendo a su estado natural.