Física del estado sólido

La Física de semiconductores es el conjunto de teorías y modelos que explican el comportamiento de los semiconductores, bajo diversas condiciones. Sin embargo gran parte de los semiconductores son estudiados en Física del estado sólido.- ...................................:http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Especial:Libro&bookcmd=download&collection_id=6189d813cb3bf8c9084033502ce8bb7447e06c01&writer=rdf2latex&return_to=F%C3%ADsica+de+semiconductores

ESTRUCTURA DE UN ELEMENTO SEMICONDUTOR

Diodos semiconductores de silicio de diferentes tipos y.tamaños, identificados en el circuito impreso de este.dispositivo electrónico con las letras “D” (para diodos con.funciones diferentes) y “DZ” (para el diodo Zener).

Un diodo semiconductor de estado sólido consta de dos partes, formadas por cristales de silicio (Si) de diferente polaridad. Un cristal de silicio en estado puro constituye un elemento químico tetravalente por estar compuesto por átomos de valencia +4, pero para obtener dos cristales semiconductores de polaridad diferente es necesario “doparlos” durante el proceso de producción del diodo, añadiéndole a la estructura molecular de cada uno de esos cristales cierta cantidad de impurezas pertenecientes a átomos de otros elementos químicos (también semiconductores), pero de valencias diferentes para cada una de las partes que formarán el diodo, con sus correspondientes polaridades. Para fabricar un diodo, primeramente uno de los cristales de silicio se dopa añadiéndole, como impureza, un elemento químico de valencia +3 (trivalente) como el galio (Ga), por ejemplo. Al final del proceso se obtiene un semiconductor “tipo-p”, con polaridad positiva (P), que presentará defecto o falta de electrones en la última órbita de los átomos de galio añadidos como impurezas. En esas órbitas se formarán “huecos” en aquellos lugares que debían estar ocupados por los electrones faltantes. A continuación, el otro cristal de silicio, que inicialmente es igual al empleado en el proceso anterior, se dopa también durante el proceso de fabricación del diodo, pero añadiéndole esta vez impurezas pertenecientes a átomos de otro elemento químico también semiconductor, pero de valencia +5 (pentavalente) como, por ejemplo, antimonio (Sb). Una vez finalizado este otro proceso de dopado se obtiene un semiconductor “tipo-n”, con polaridad negativa (N), caracterizado por presentar exceso de electrones libres en la última órbita de los átomos de antimonio  añadidos  como  impurezas. (Ver “Qué.son los semiconductores”).

Representación gráfica de dos elementos semiconductores de cristal de silicio (Si), simplificados de.forma esquemática. A.- Semiconductor de silicio de conducción “tipo-p”, o  sea, de  polaridad  positiva.(P). En su estructura molecular se puede observar que en los lugares que debían ocupar  los  electrones.lo que encontramos son “huecos”. Cuando conectamos una batería a los extremos de un cristal semiconductor positivo, se establece un.flujo de “huecos” en sentido opuesto al flujo de electrones que proporciona la fuente de energía eléctrica..En la ilustración se puede observar también que mientras el flujo de electrones  o  corriente  electrónica.se establece del polo negativo al polo positivo de la batería, el flujo de “huecos”, por el contrario, se.establece en el sentido inverso a través del cristal de silicio. B.- Semiconductor  de  silicio  de  conducción  “tipo-n”,  de  polaridad  negativa  (N),  con  exceso  de.electrones libres en su estructura molecular. Si a este tipo de  semiconductor  negativo  le  conectamos.una batería, el flujo electrónico se establecerá en el mismo sentido de circulación de la propia fuente de.suministro eléctrico, o sea, del polo negativo al polo positivo INTRODUCCIÓN. MATERIALES CONDUCTORES Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza poseen características diferentes, agrupadas todas en la denominada “Tabla de Elementos Químicos”. Desde el punto de vista eléctrico, todos los cuerpos simples o compuestos formados por esos elementos se pueden dividir en tres amplias categorías: Conductores Aislantes Semiconductores Los materiales conductores ofrecen una baja resistencia al paso de la corriente eléctrica. Los semiconductores se encuentran a medio camino entre los conductores y los aislantes, pues en unos casos permiten la circulación de la corriente eléctrica y en otros no. Finalmente los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. En la foto superior se muestran algunos de esos materiales: A) Conductor de alambre de cobre. B) Diodos y C) transistor (dispositivos semiconductores en ambos casos). D) Aislantes de porcelana instalados en un transformador distribuidor de energía eléctrica de bajo voltaje y E) Aislantes de vidrio soportando cables a la intemperie montados en un poste para distribución de energía eléctrica de media tensión. Los aislantes, al contrario de los conductores, constituyen materiales o cuerpos que ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. MATERIALES CONDUCTORES En la categoría “conductores” se encuentran agrupados todos los metales que en mayor o menor medida conducen o permiten el paso de la corriente eléctrica por sus cuerpos. Entre los mejores conductores por orden de importancia para uso en la distribución de la energía eléctrica de alta, media y baja tensión, así como para la fabricación de componentes de todo tipo como dispositivos y equipos eléctricos y electrónicos, se encuentran el cobre (Cu), aluminio (Al), plata (Ag), mercurio (Hg) y oro (Au). Los conductores de cobre son los materiales más utilizados en los circuitos eléctricos por la baja resistencia que presentan al paso de la corriente. En general el núcleo de los átomos de cualquier elemento que forman todos los cuerpos sólidos, líquidos y gaseosos que conocemos se encuentran rodeados por una nube de electrones que giran su alrededor, distribuidos en una o en varias órbitas, capas o niveles de energía. Al átomo de cada elemento contemplado en la “Tabla de Elementos Químicos” le corresponde un número atómico que sirve para diferenciar las propiedades de cada uno de ellos. Ese número coincide también con la cantidad total de electrones que giran alrededor del núcleo de cada átomo en particular. No obstante, independientemente de la cantidad total de electrones que le corresponda a cada elemento, en la última capa u órbita sólo pueden girar de uno a ocho electrones como máximo. Diferentes formas de representar de forma gráfica un.mismo.átomo, en este caso de cobre (Cu):  A) Normal, en.la que. aparecen todos los electrones girando alrededor del núcleo   de   ese   elemento   en  sus  respectivas  órbitas. B) Representación plana en la que se pueden observar, de.forma parcial, las cuatro órbitas o  niveles  de  energía  que le corresponden a ese átomo con la  distribución  numérica de  todos los  electrones  que  posee en cada una de ellas. ( 29  en  total ). C)  La  misma  representación  plana, pero.  más simplificada, en la que se muestra solamente la última órbita o banda de valencia, identificada  con.el número “1”, o sea, el único electrón que posee en esa posición. D)  El  mismo átomo mostrado  ahora.en representación plana, con la última órbita y el único electrón que gira en la misma. Banda de valencia Como ya conocemos, todos átomos que integran cualquier cuerpo material poseen órbitas o capas, denominadas también niveles de energía, donde giran electrones alrededor de sus núcleos. La última de esas capas se denomina “banda de valencia” y es donde giran los electrones que en unos casos el átomo puede ser ceder, como ocurre con los metales y en otros casos puede atraer o captar de la banda de valencia de otros átomos cercanos. La banda de valencia es el nivel de energía que determina que un cuerpo se comporte como conductor, aislante o semiconductor. En el caso de los metales en la última órbita o “banda de valencia” de sus átomos sólo giran entre uno y tres electrones como máximo, por lo que su tendencia es cederlos cuando los excitamos empleando métodos físicos o químicos. Las respectivas valencias de trabajo (o números de valencia) de los metales son las siguientes: +1, +2 y +3. Esos números con signo positivo (+) delante, corresponden a la cantidad de electrones que pueden ceder los átomos de los metales, de acuerdo con la cantidad que contiene cada uno en la última órbita. En general la mayoría de los elementos metálicos poseen conductividad eléctrica, es decir, se comportan como conductores de la electricidad en mayor o menor medida. Los que poseen un solo electrón (a los que les corresponde el número de valencia +1, como el cobre), son los que conducen la corriente eléctrica con mayor facilidad. En los conductores eléctricos las bandas de energía, formadas por la banda de conducción y la banda de valencia del elemento metálico, se superponen facilitando que los electrones puedan saltar desde la última órbita de un átomo a la de otro de los que integran también las moléculas del propio metal. Es por eso que cuando se aplica corriente eléctrica a un circuito formado por conductores de cobre, por ejemplo, los electrones fluyen con facilidad por todo el cuerpo metálico del alambre que integra el cable. Normalmente las bandas de energías se componen de: 1) una banda de valencia. 2) una banda de conducción y, 3) otra banda interpuesta entre las dos anteriores denominada “banda prohibida”. La función de esta última es impedir o dificultar que los electrones salten desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. En el caso de los metales la banda prohíbida no existe, por lo que los electrones en ese caso necesitan poca energía para saltar de una banda a la otra. Debido a que en los metales conductores de corriente eléctrica la banda de valencia o última órbita del átomo pose entre uno y tres electrones solamente (de acuerdo con el tipo de metal de que se trate), existe una gran cantidad de estados energéticos “vacíos” que permiten excitar los electrones, bien sea por medio de una reacción química, o una reacción física como la aplicación de calor o la aplicación de una diferencia de potencial (corriente eléctrica) que ponga en movimiento el flujo electrónico. En general los metales mejores conductores de electricidad como el cobre, la plata y el oro poseen una alta densidad de electrones portadores de carga en la banda de valencia, así como una alta ocupación de niveles de energía en la banda de conducción. Hay que destacar que aunque la plata y el oro son mucho mejores conductores de la corriente eléctrica que el cobre, la mayoría de los cables se fabrican con este último metal o con aluminio en menor proporción, por ser ambos metales buenos conductores de la corriente eléctrica, pero mucho más baratos de producir y comercializar que la plata y el oro.