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Semiconductores: Dopantes y sus modificaciones en las bandas de energía

En este artículo voy a reseñar levemente los efectos que tiene introducir dopantes en las matrices cristalinas de los semiconductores.

Antes de comenzar, introduciré el concepto de cristal. Un cristal es un sólido homogéneo cuya estructura interna  es una sucesión de partículas reticulares (átomos, iones o moléculas) ordenadas. Dichas partículas han de ordenarse en celdas que se repiten en las tres dimensiones de forma periódica, formando el cristal. Existen 14 formaciones distintas que pueden adoptar dichas celdas, conocidas como celdas de Bravais. A su vez, estas celdas se pueden agrupar en 7 sistemas cristalinos distintos.

Hay muchos ejemplos de cristales que  nos suenan en nuestra vida diaria: las piedras preciosas (como el diamante o el rubí),  la mayoría de los minerales (como el cuarzo, el silicio o la sal), metales (como el cobre). Es más, la forma cristalina es la forma natural de presentarse los sólidos en la naturaleza. Sin embargo, hay materiales que no presentan esta estructura ordenada; los amorfos. Ejemplos de amorfos son el vidrio(por mucho que lleve a engaño el que a veces los llamemos “erróneamente” cristal) o los polímeros.

Ej. Cristal de Cloruro Sódico o sal común

Volviendo al tema que nos interesa, hablemos del Silicio (el semiconductor más usado). El Silicio se cristaliza en una estructura idéntica a la del diamante, sólo que sustituyendo los átomos de Carbono por los de Silicio. Esta particularidad se debe a que tanto el Carbono como el Silicio tienen cuatro electrones de valencia, los cuales forman cuatro enlaces covalentes en una estructura tetraédrica.

El Silicio se suele dopar con Fósforo (P) o Boro (B). Dopar el Silicio significa sustituir un átomo de Silicio perteneciente a la red cristalina por uno de estos elementos (de tamaño similar pero con 5 y 3 electrones de valencia respectivamente).

En el caso del Fósforo, el quinto electrón de valencia no puede formar enlace covalente, de modo que se encuentra menos ligado que los electrones de valencia.  Esto se traduce en que dicho electrón se encuentra en un estado de energía superior al de la banda de valencia. Sin embargo, dicho electrón no el libre de moverse por la red cristalina si no es excitado primero; por lo que su energía es inferior al de la banda de conducción. En definitiva, introducir este dopante crea un estado de energía ocupado en la banda prohibida, pero cercano a la banda de conducción. Con una excitación muy pequeña, el electrón podrá pasar a la banda de conducción, lo que mejora la conductividad del sólido. Esto se conoce como dopante tipo N.

Si miramos el caso del Boro, el efecto es similar, pero contrario. Al no disponer de 4 electrones de valencia, tan sólo realiza tres enlaces covalentes, dejando uno de ellos incompleto. Es decir, crea un hueco en la banda de valencia que puede usarse para conducir, mejorando así mismo la conductividad del Silicio. Esto se conoce como dopante tipo P.

Además de este efecto sobre la conductividad, la introducción de dopantes crea zonas cargadas internamente (aunque el total del sólido tenga carga neutra). Así, si juntamos una zona dopada tipo N con una tipo P, la tipo P capturará los electrones libres del dopante N para rellenar sus huecos. Esto crea un campo eléctrico interno que tiene propiedades de lo más interesantes. Sin querer profundizar mucho más en el tema, al menos por ahora, me remito, de nuevo, al vídeo expuesto en mi artículo anterior donde se explica, brevemente, el efecto de dichos campos internos.

Más información| Introduction to Semiconductors (Cambrigde)Procesos de dopado de semiconductoresSemiconductores (Universidad de Sevilla)

Imagen| Celda genérica de Bravais y tiposEstructura de la sal; Cristal de Silicio; Tabla periodica

En QAH | Introducción a la electrónica basada en semiconductores, El vidrio, un sólido que NO lo es

Vídeo| Introducción al MOSFET, Universidad de Granada

 

 

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