¿Qué es un semiconductor intrínseco?

¿Qué es un Semicondutor Intrínseco?

Definición de Semicondutor Intrínseco

Un semicondutor es un material cuya conductividad se encuentra entre la de los conductores y los aislantes. Los semiconductores que son químicamente puros, es decir, libres de impurezas, se llaman Semiconductores Intrínsecos o Semiconductores No Dopeados o i-tipo Semiconductores. Los semiconductores intrínsecos más comunes son el Silicio (Si) y el Germanio (Ge), que pertenecen al Grupo IV de la tabla periódica. Los números atómicos de Si y Ge son 14 y 32, lo que da como resultado su configuración electrónica como 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 y 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, respectivamente.

Tanto el Si como el Ge tienen cuatro electrones en su capa externa, o valencia. Estos electrones de valencia son responsables de las propiedades de conducción de los semiconductores.

La red cristalina del Silicio (es la misma incluso para el Germanio) en dos dimensiones se muestra en la Figura 1. Aquí se observa que cada electrón de valencia de un átomo de Si se empareja con el electrón de valencia del átomo de Si adyacente para formar un enlace covalente.

Después de emparejarse, los semiconductores intrínsecos carecen de portadores de carga libres, que son los electrones de valencia. A 0K, la banda de valencia está llena, y la banda de conducción está vacía. Ningún electrón de valencia tiene suficiente energía para cruzar la brecha de energía prohibida, haciendo que los semiconductores intrínsecos actúen como aislantes a 0K.

Sin embargo, a temperatura ambiente, la energía térmica puede causar que algunos de los enlaces covalentes se rompan, generando así electrones libres como se muestra en la Figura 3a. Los electrones así generados se excitan y se mueven desde la banda de valencia a la banda de conducción, superando la barrera de energía (Figura 2b). Durante este proceso, cada electrón deja atrás un hueco en la banda de valencia. Los electrones y huecos creados de esta manera se llaman portadores de carga intrínsecos y son responsables de las propiedades conductoras exhibidas por el material semiconductor intrínseco.

Aunque los semiconductores intrínsecos pueden conducir a temperatura ambiente, su conductividad es baja debido a los pocos portadores de carga. A medida que aumenta la temperatura, se rompen más enlaces covalentes, generando más electrones libres. Estos electrones se mueven desde la banda de valencia a la banda de conducción, aumentando la conductividad. El número de electrones (ni) siempre es igual al número de huecos (pi) en el semiconductor intrínseco.

Al aplicar un campo eléctrico a tal semiconductor intrínseco, los pares electrón-hueco pueden desplazarse bajo su influencia. En este caso, los electrones se mueven en dirección opuesta al campo aplicado, mientras que los huecos se mueven en la dirección del campo eléctrico, como se muestra en la Figura 3b. Esto significa que la dirección en la que se mueven los electrones y los huecos son mutuamente opuestas. Esto se debe a que, cuando un electrón de un átomo particular se mueve hacia la izquierda, dejando un hueco en su lugar, el electrón del átomo vecino ocupa su lugar reuniéndose con ese hueco. Sin embargo, al hacerlo, habrá dejado otro hueco en su lugar. Esto puede verse como el movimiento de los huecos (hacia la derecha en este caso) en el material semiconductor. Estos dos movimientos, aunque opuestos en dirección, resultan en el flujo total de corriente a través del semiconductor.

Matemáticamente, las densidades de portadores de carga en semiconductores intrínsecos se dan por

Aquí,

Nc es la densidad efectiva de estados en la banda de conducción.

Nv es la densidad efectiva de estados en la banda de valencia.

es la constante de Boltzmann.

T es la temperatura.

EF es la energía de Fermi.

Ev indica el nivel de la banda de valencia.

Ec indica el nivel de la banda de conducción.

es la constante de Planck.

mh es la masa efectiva de un hueco.

me es la masa efectiva de un electrón.