¿Qué son el silicio intrínseco y el silicio extrínseco?

¿Qué es el Silicio Intrínseco y el Silicio Extrínseco?

Silicio Intrínseco

El silicio es un elemento semiconductor vital. El silicio es un material del grupo IV. En su órbita externa, tiene cuatro electrones de valencia que están unidos por enlaces covalentes con los electrones de valencia de cuatro átomos de silicio adyacentes. Estos electrones de valencia no están disponibles para la electricidad. Por lo tanto, a OoK, el silicio intrínseco se comporta como un aislante. Cuando la temperatura aumenta, algunos electrones de valencia rompen sus enlaces covalentes debido a la energía térmica. Esto crea un vacío, conocido como un hueco, donde estaba el electrón. En otras palabras, a cualquier temperatura mayor que 0oK, algunos de los electrones de valencia en el cristal semiconductor ganan suficiente energía para saltar de la banda de valencia a la banda de conducción y dejan un hueco en la banda de valencia. Esta energía es aproximadamente igual a 1.2 eV a temperatura ambiente (es decir, a 300oK), que es igual a la energía del hueco de banda del silicio.

En el cristal de silicio intrínseco, el número de huecos es igual al número de electrones libres. Dado que cada electrón, al dejar el enlace covalente, contribuye con un hueco en el enlace roto. A una cierta temperatura, nuevas parejas electrón-hueco son continuamente creadas por la energía térmica, mientras que un número igual de parejas se recombinan. Por lo tanto, a una temperatura particular en un volumen determinado de silicio intrínseco, el número de parejas electrón-hueco permanece constante. Esta es una condición de equilibrio. Por lo tanto, es obvio que, en la condición de equilibrio, la concentración de electrones libres n y la concentración de huecos p son iguales entre sí, y esto no es más que la concentración de portadores de carga intrínsecos (ni). Es decir, n = p = ni. La estructura atómica se muestra a continuación.

Silicio Intrínseco a 0oK

Silicio Intrínseco a Temperatura Ambiente

Silicio Extrínseco

El silicio intrínseco puede convertirse en silicio extrínseco cuando se dopa con una cantidad controlada de dopantes. Si se dopa con un átomo donador (elementos del grupo V) se convierte en un semiconductor de tipo n, y cuando se dopa con átomos aceptores (elementos del grupo III) se convierte en un semiconductor de tipo p.

Supongamos que se añade una pequeña cantidad de un elemento del grupo V a un cristal de silicio intrínseco. Los ejemplos de elementos del grupo V son fósforo (P), arsénico (As), antimonio (Sb) y bismuto (Bi). Tienen cinco electrones de valencia. Cuando desplazan un átomo de Si, los cuatro electrones de valencia forman enlaces covalentes con los átomos vecinos y el quinto electrón, que no participa en la formación del enlace covalente, está débilmente unido al átomo padre y puede salir fácilmente del átomo como un electrón libre. La energía necesaria para este propósito, es decir, para liberar ese quinto electrón, es de aproximadamente 0.05 eV. Este tipo de impureza se llama donador, ya que contribuye con electrones libres al cristal de silicio. El silicio se conoce como silicio de tipo n o negativo, ya que los electrones son partículas cargadas negativamente.

El Nivel de Energía de Fermi se acerca más a la banda de conducción en el silicio de tipo n. Aquí, el número de electrones libres aumenta sobre la concentración intrínseca de electrones. Por otro lado, el número de huecos disminuye sobre la concentración intrínseca de huecos, ya que hay mayor probabilidad de recombinación debido a la mayor concentración de electrones libres. Los electrones son los portadores de carga mayoritarios.

Silicio Extrínseco con Impurezas Pentavalentes

Si se añade una pequeña cantidad de elementos del grupo III a un cristal de semiconductor intrínseco, entonces desplazan un átomo de silicio, los elementos del grupo III como AI, B, IN tienen tres electrones de valencia. Estos tres electrones forman enlaces covalentes con los átomos vecinos creando un hueco. Este tipo de átomos de impureza se conocen como aceptores. El semiconductor se conoce como semiconductor de tipo p, ya que el hueco se asume que está cargado positivamente.

Silicio Extrínseco con Impurezas Trivalentes

El nivel de energía de Fermi en los semiconductores de tipo p se acerca más a la banda de valencia. El número de huecos aumenta, mientras que el número de electrones disminuye en comparación con el silicio intrínseco. En los semiconductores de tipo p, los huecos son los portadores de carga mayoritarios.

Concentración de Portadores de Carga Intrínsecos del Silicio

Cuando un electrón salta de la banda de valencia a la banda de conducción debido a la excitación térmica, se crean portadores libres en ambas bandas, que son electrones en la banda de conducción y huecos en la banda de valencia. La concentración de estos portadores se conoce como concentración de portadores intrínsecos. Prácticamente, en un cristal de silicio puro o intrínseco, el número de huecos (p) y electrones (n) son iguales entre sí, y son iguales a la concentración de portadores intrínsecos ni. Por lo tanto, n = p = ni

La cantidad de estos portadores depende de la energía del hueco de banda. Para el silicio, la energía del hueco de banda es de 1.2 eV a 298oK, la concentración de portadores intrínsecos en el silicio aumenta con el aumento de la temperatura. La concentración de portadores intrínsecos en el silicio se da por,

Aquí, T = temperatura en escala absoluta

La concentración de portadores intrínsecos a 300oK es 1.01 × 1010 cm-3. Pero el valor aceptado anteriormente es 1.5 × 1010 cm-3.