10.3 : Conceptos básicos de semiconductores

Los semiconductores intrínsecos son materiales de gran pureza y sin impurezas. En el cero absoluto, estos semiconductores se comportan como aislantes perfectos porque todos los electrones de valencia están unidos y la banda de conducción está vacía, lo que no permite la conducción eléctrica. El nivel de Fermi es un concepto utilizado para describir la probabilidad de ocupación de niveles de energía por electrones en equilibrio térmico. En los semiconductores intrínsecos, el nivel de Fermi se sitúa en el punto medio de la brecha de energía en el cero absoluto. Cuando la temperatura del semiconductor aumenta, la energía térmica excita algunos electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, creando pares electrón-hueco (EHP). La creación de EHP permite la conducción porque los electrones pueden moverse libremente en la banda de conducción y los huecos pueden actuar como portadores de carga positiva en la banda de valencia.

La concentración de portador intrínseco, denominada ni, es el número de electrones o huecos libres en un semiconductor puro en equilibrio térmico. Es un valor que depende de la temperatura y se puede expresar mediante la fórmula:

Donde B es una constante del material, T es la temperatura, E_g es la energía de la banda prohibida y k es la constante de Boltzmann.

A cualquier temperatura por encima del cero absoluto, los EHP se generan a una velocidad g_i y se recombinan a una velocidad r_i. Para que el semiconductor mantenga el equilibrio térmico, estas velocidades deben ser iguales. La tasa de recombinación es proporcional al producto de las concentraciones de electrones (n_0) y huecos (p_0), descrita por:

donde α_r es el coeficiente de recombinación.

Los semiconductores intrínsecos pueden modificarse para convertirse en semiconductores extrínsecos mediante dopaje, que introduce impurezas para cambiar las propiedades eléctricas del material. El dopado de semiconductores intrínsecos con átomos pentavalentes crea materiales de tipo N añadiendo electrones libres. Por el contrario, los dopantes trivalentes producen materiales de tipo P con predominio de agujeros, desplazando el nivel de Fermi hacia la banda de valencia, modificando así las propiedades conductoras del semiconductor.