Conductividad de semiconductores

Las sustancias capaces de conducir o no una corriente eléctrica no se limitan a una división estricta de solo conductores y dieléctricos. También hay semiconductores, como el silicio, el selenio, el germanio y otros minerales y aleaciones que merecen ser separados como un grupo separado.

Estas sustancias conducen la corriente eléctrica mejor que los dieléctricos, pero peor que los metales, y su conductividad aumenta al aumentar la temperatura o la iluminación. Esta característica de los semiconductores los hace aplicables en sensores de luz y temperatura, pero su principal aplicación sigue siendo la electrónica.

Si observa, por ejemplo, un cristal de silicio, puede encontrar que el silicio tiene una valencia de 4, es decir, en la capa externa de su átomo hay 4 electrones que están unidos a cuatro átomos de silicio vecinos en el cristal. Si dicho cristal se ve afectado por el calor o la luz, los electrones de valencia recibirán un aumento de energía y dejarán sus átomos, convirtiéndose en electrones libres; aparecerá un gas de electrones en el volumen abierto del semiconductor, como en los metales, es decir, se producirá una condición de espera.

Pero a diferencia de los metales, los semiconductores difieren en su conductividad de electrones y huecos. ¿Por qué sucede esto y qué es? Cuando los electrones de valencia abandonan sus sitios, se forman regiones de falta de carga negativa —“agujeros”— en esos sitios anteriores, que ahora tienen un exceso de carga positiva.

El electrón vecino saltará fácilmente al «agujero» resultante, y tan pronto como este agujero se llene con el electrón que saltó, se formará de nuevo un agujero en lugar del electrón saltado.

Es decir, resulta que un agujero es una región móvil cargada positivamente de un semiconductor. Y cuando un semiconductor se conecta a un circuito con una fuente EMF, los electrones se moverán al terminal positivo de la fuente y los huecos al terminal negativo. Así es como se produce la conductividad interna del semiconductor.

El movimiento de huecos y electrones de conducción en un semiconductor sin un campo eléctrico aplicado será caótico. Si se aplica un campo eléctrico externo al cristal, los electrones en su interior se moverán contra el campo y los agujeros se moverán a lo largo del campo, es decir, se producirá el fenómeno de la conducción interna en el semiconductor, que no solo será causada por electrones, pero también por huecos.

En un semiconductor, la conducción siempre ocurre solo bajo la influencia de algunos factores externos: por irradiación con fotones, por efecto de la temperatura, cuando se aplican campos eléctricos, etc.

El nivel de Fermi en un semiconductor cae en el medio de la brecha de banda. La transición del electrón de la banda de valencia superior a la banda de conducción inferior requiere una energía de activación igual al delta de banda prohibida (ver figura). Y tan pronto como aparece un electrón en la banda de conducción, se crea un hueco en la banda de valencia. Por lo tanto, la energía gastada se divide por igual durante la formación de un par de portadores de corriente.

La mitad de la energía (que corresponde a la mitad del ancho de banda) se gasta en la transferencia de electrones y la otra mitad en la formación de huecos; como resultado, el origen corresponde a la mitad del ancho de la franja. La energía de Fermi en un semiconductor es la energía a la que se excitan los electrones y los huecos. La posición en la que se encuentra el nivel de Fermi para un semiconductor en el medio de la banda prohibida se puede confirmar mediante cálculos matemáticos, pero omitimos los cálculos matemáticos aquí.

Bajo la influencia de factores externos, por ejemplo, cuando aumenta la temperatura, las vibraciones térmicas de la red cristalina de un semiconductor conducen a la destrucción de algunos enlaces de valencia, como resultado de lo cual algunos de los electrones se convierten en portadores de carga libres separados. .

En los semiconductores, junto con la formación de huecos y electrones, tiene lugar el proceso de recombinación: los electrones pasan a la banda de valencia desde la banda de conducción, cediendo su energía a la red cristalina y emitiendo cuantos de radiación electromagnética.Así, cada temperatura corresponde a la concentración de equilibrio de huecos y electrones, que depende de la temperatura según la siguiente expresión:

También existe la conductividad de impurezas de los semiconductores, cuando se introduce una sustancia ligeramente diferente en el cristal de un semiconductor puro que tiene una valencia mayor o menor que la sustancia original.

Si en puro, digamos, el mismo silicio, el número de agujeros y electrones libres es igual, es decir, se forman todo el tiempo en pares, entonces en el caso de una impureza añadida al silicio, por ejemplo, arsénico, que tiene un valencia de 5, la cantidad de huecos será menor que la cantidad de electrones libres, es decir, se forma un semiconductor con una gran cantidad de electrones libres, cargados negativamente, será un semiconductor de tipo n (negativo). Y si mezcla indio, que tiene una valencia de 3, que es menor que la del silicio, habrá más agujeros: será un semiconductor de tipo p (positivo).

Ahora, si ponemos en contacto semiconductores de diferente conductividad, entonces en el punto de contacto obtenemos una unión p-n. Los electrones que se mueven desde la región n y los huecos que se mueven desde la región p comenzarán a moverse entre sí, y en lados opuestos del contacto habrá regiones con cargas opuestas (en lados opuestos de la unión pn): un positivo la carga se acumulará en la región n y una carga negativa en la región p. Las diferentes partes del cristal con respecto a la transición estarán cargadas de manera opuesta. Esta posición es muy importante para el trabajo de todos. dispositivos semiconductores.

El ejemplo más simple de un dispositivo de este tipo es un diodo semiconductor, donde solo se usa una unión pn, que es suficiente para lograr la tarea: conducir la corriente en una sola dirección.

Los electrones de la región n se mueven hacia el polo positivo de la fuente de energía y los huecos de la región p se mueven hacia el polo negativo. Se acumularán suficientes cargas positivas y negativas cerca de la unión, la resistencia de la unión disminuirá significativamente y la corriente fluirá a través del circuito.

En la conexión inversa del diodo, la corriente saldrá decenas de miles de veces menos, ya que los electrones y los huecos simplemente serán expulsados ​​por un campo eléctrico en diferentes direcciones desde la unión. Este principio funciona rectificador de diodos.