Estructura Atómica de los Materiales Semiconductores

El Átomo
1. La materia está formada por sustancias llamadas elementos o compuestas por moléculas, dichos elementos a su vez están formados por átomos, los cuales son las partículas más pequeñas.
  1. Atendiendo al número de electrones de que disponen los átomos en la órbita periférica, éstos se clasifican en estables e inestables.
    1. Se llama átomo estable el que tiene completa de electrones su última órbita o al menos dispone en ella de 8 electrones.
    2. Los átomos inestables, que son los que no tienen llena su órbita periférica ni tampoco 8 electrones en ella, tienen una gran propensión a convertirse en estables,
2. Cada elemento se diferencia de los demás en el número de electrones y protones que contiene.
Cuerpos Conductores, Aislantes y Semiconductores
1. Los electrones de valencia definen las propiedades eléctricas de los materiales, y estos se clasifican en tres grupos:
  1. Aislantes: Son los materiales que no conducen corriente eléctrica en condiciones normales. En estos materiales los electrones de valencia están fuertemente ligados al núcleo del átomo. El hule, plástico y el vidrio son ejemplos de aislantes.
    1. Los cuerpos aislantes son los que no permiten el paso e intercambio de electrones periféricos, siendo sus átomos normalmente estables.
  2. Conductores: Permiten el paso de la corriente eléctrica con facilidad. Los materiales conductores son los metales tales como el oro, la plata y el cobre. Los mejores metales conductores son los que tienen un solo electrón de valencia.
    1. Los materiales conductores ofrecen escasa resistencia al paso de los electrones y los aislantes una resistencia muy alta
  3. Semiconductores: Estos materiales en su estado puro, conocido como intrínseco, presentan las propiedades de los conductores y aislantes. Estos elementos tienen cuatro electrones de valencia tales como el carbón, el silicio y el germanio.
    1. Los elementos denominados semiconductores que presentan una resistencia intermedia entre ambos extremos
      1. La característica fundamental de los cuerpos semiconductores es la de poseer 4 electrones en su órbita de valencia.
      2. Forman una estructura reticular en la que cada átomo queda rodeado por otros 4.
      3. Su principal union es por enlaces covalentes
        La salida de un electrón del enlace covalente deja en éste un hueco al que se le tratará como si fuese una carga positiva
    2. Semiconductores Extrínsecos
      1. Las características de los materiales semiconductores pueden alterarse de modo considerable mediante la adición de ciertos átomos de impurezas en el material semiconductor relativamente puro.
        Existen dos tipos de materiales extrínsecos de importancia para la fabricación de dispositivos semiconductores:
        Material tipo N, con exceso de electrones: Este tipo de material se forma agregando átomos de impureza pentavalentes tales como el arsénico (As), fósforo (P), bismuto (Bi) y antimonio (Sb) al silicio;
        Material tipo P, con exceso de huecos: Este material se forma impurificando un cristal semiconductor puro de germanio o silicio con átomos de impureza que tengan tres electrones de valencia, tal como el boro (B), el galio (Ga) y el indio (In).
    3. Siliicio y Germanio
Unión del Semiconductor P con N
1. Un trozo de semiconductor P dispone de más huecos libres, o portadores mayoritarios que, de electrones libres, o portadores minoritarios, pero la carga neta del mismo es neutra
2. Lo contrario sucede con el semiconductor de tipo N, en el que los portadores mayoritarios son los electrones, pero también en conjunto dispone de una carga neutra.
3. Al colocar parte del semiconductor de tipo P junto a otra parte de semiconductor de tipo N, debido a la ley de la difusión los electrones de la zona N, con alta concentración de estos, tienden a dirigirse a la zona P, que apenas los tiene, sucediendo lo contrario con los huecos, que tratan de dirigirse de la zona P a la N, propiciando su encuentro y neutralización en la zona de unión
  1. La tensión que aparece entre las zonas N y P, llamada barrera de potencial se opone a la ley de la difusión, puesto que el potencial positivo que se va creando en la zona N repele a los huecos que se acercan de P, y el potencial negativo de la zona P repele a los electrones de la zona N.
  2. Cuando ambas zonas han perdido cierta cantidad de portadores mayoritarios, que se han recombinado, la barrera de potencial creada impide la continuación de la difusión y, por tanto, la igualación de las concentraciones de ambas zonas
Efecto Fotovoltaico
1. En estas condiciones, si incide luz y los fotones comunican energía a los electrones del semiconductor algunos de estos electrones pueden atravesar la barrera de potencial, siendo expulsados fuera del semiconductor a través de un circuito exterior: se produce una corriente eléctrica. Los electrones, tras recorrer el circuito externo vuelven a entrar en el semiconductor por la cara opuesta.
  1. El material semiconductor en ningún momento almacena energía eléctrica como lo haría, por ejemplo, un acumulador electroquímico, sino que lo único que hace es generarla, o mejor, transformar la energía radiante únicamente cuando ésta incide sobre él.
  2. No todos los fotones se comportan del mismo modo en la producción de electricidad por el efecto fotovoltaico. Unas frecuencias son más apropiadas que otras para producir el efecto, según los tipos de materiales semiconductores utilizados.

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