Este documento explica los conceptos básicos de los semiconductores intrínsecos y dopados. Define un semiconductor como un material que puede actuar como aislante o conductor dependiendo de factores externos. Explica que los semiconductores intrínsecos tienen una concentración igual de electrones y huecos, mientras que los dopados tienen un exceso de uno u otro debido a la adición de impurezas. Detalla los tipos comunes de dopantes para crear materiales de tipo N con exceso de electrones o de tipo P con exceso de huecos.

1. Semiconductores
Intrínsecos y
Dopados
POR: ANGEL E. ASQUES ZEGARRA

2. ¿Qué es un semiconductor?
 Un semiconductor es un material aislante que, cuando se le
añaden ciertas sustancias o en un determinado contexto, se vuelve
conductor. Esto quiere decir que, de acuerdo a determinados
factores, el semiconductor actúa a modo de aislante o como
conductor.
Elemento Grupos
Electrones en
la última capa
Cd 12 2 e-
Al, Ga, B, In 13 3 e-
Si, C, Ge 14 4 e-
P, As, Sb 15 5 e-
Se, Te, (S) 16 6 e-

3. Semiconductores intrínsecos
Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en
la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electronespueden absorber la
energía necesaria para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a
temperatura ambiente, son de 1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.
Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer, desde el estado energético correspondiente
a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se le denomina recombinación. Sucede que, a una
determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y
huecos permanece constante. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple
que:
ni = n = p
siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del tipo de elemento.
Ejemplos de valores de ni a temperatura ambiente (27 ºC):
ni(Si) = 1.5 1010cm-3
ni(Ge) = 2.4 1013cm-3
Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En los semiconductores, ambos tipos de portadores contribuyen al
paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas.Por un lado la
debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la
banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección
contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.

4. Dopaje (semiconductores)
 En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso
intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente
puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus
propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de
semiconductores a dopar. A los semiconductores con dopajes ligeros y
moderados se los conoce como extrínsecos. Un semiconductor altamente
dopado, que actúa más como un conductor que como un semiconductor,
es llamado degenerado.
 El número de átomos dopantes necesitados para crear una diferencia en
las capacidades conductoras de un semiconductor es muy pequeña.
Cuando se agregan un pequeño número de átomos dopantes (en el orden
de 1 cada 100.000.000 de átomos) entonces se dice que el dopaje es bajo
o ligero. Cuando se agregan muchos más átomos (en el orden de 1 cada
10.000 átomos) entonces se dice que el dopaje es alto o pesado. Este
dopaje pesado se representa con la nomenclatura N+ para material de
tipo N, o P+ para material de tipo P.

5. Elementos dopantes
 Semiconductores de Grupo IV
 Para los semiconductores del Grupo IV como Silicio, Germanio y
Carburo de silicio, los dopantes más comunes son elementos del
Grupo III o del Grupo V. Boro, Arsénico, Fósforo, y ocasionalmente
Galio, son utilizados para dopar al Silicio.

6. Tipos de materiales dopantes
 Tipo N
 Tipo P

7. Tipo N
 Se llama material tipo N al que posee átomos de impurezas que
permiten la aparición de electrones sin huecos asociados a los mismos
semiconductores. Los átomos de este tipo se llaman donantes ya que
"donan" o entregan electrones. Suelen ser de valencia cinco, como el
Arsénico y el Fósforo. De esta forma, no se ha desbalanceado la
neutralidad eléctrica, ya que el átomo introducido al semiconductor es
neutro, pero posee un electrón no ligado, a diferencia de los átomos
que conforman la estructura original, por lo que la energía necesaria
para separarlo del átomo será menor que la necesitada para romper
una ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor original).
Finalmente, existirán más electrones que huecos, por lo que los
primeros serán los portadores mayoritarios y los últimos los minoritarios.
La cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la
cantidad de átomos de impurezas introducidos.
 El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje
N). En el caso del Fósforo, se dona un electrón.

8. Tipo P
 Se llama así al material que tiene átomos de impurezas que permiten la
formación de huecos sin que aparezcan electrones asociados a los
mismos, como ocurre al romperse una ligadura. Los átomos de este
tipo se llaman aceptores, ya que "aceptan" o toman un electrón.
Suelen ser de valencia tres, como el Aluminio, el Indio o el Galio.
Nuevamente, el átomo introducido es neutro, por lo que no modificará
la neutralidad eléctrica del cristal, pero debido a que solo tiene tres
electrones en su última capa de valencia, aparecerá una ligadura
rota, que tenderá a tomar electrones de los átomos próximos,
generando finalmente más huecos que electrones, por lo que los
primeros serán los portadores mayoritarios y los segundos los
minoritarios. Al igual que en el material tipo N, la cantidad de
portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos
de impurezas introducidos.
 El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Boro (P dopaje).
En el caso del boro le falta un electrón y, por tanto, es donado un
hueco de electrón.

9. Dopaje en conductores orgánicos
 Los polímeros conductores pueden ser dopados al agregar reactivos químicos que
oxiden (o algunas veces reduzcan) el sistema, para ceder electrones a las órbitas
conductoras dentro de un sistema potencialmente conductor.
 Existen dos formas principales de dopar un polímero conductor, ambas mediante un
proceso de reducción-oxidación. En el primer método, dopado químico, se expone
un polímero, como la melanina (típicamente una película delgada), a un oxidante
(típicamente yodo o bromo) o a un agente reductor (típicamente se utilizan metales
alcalinos, aunque esta exposición es bastante menos común). El segundo método es
el dopaje electroquímico, en la cual un electrodo de trabajo, revestido con un
polímero, es suspendido en una solución electrolítica, en la cual el polímero es
insoluble, junto al electrodo opuesto, separados ambos. Se crea una diferencia de
potencial eléctrico entre los electrodos, la cual hace que una carga (y su
correspondiente ion del electrolito) entren en el polímero en la forma de electrones
agregados (dopaje tipo N) o salgan del polímero (dopaje tipo P), según la
polarización utilizada.
 La razón por la cual el dopaje tipo N es mucho menos común es que la atmósfera
de la tierra, la cual es rica en oxígeno, crea un ambiente oxidante. Un polímero tipo
N rico en electrones reaccionaría inmediatamente con el oxígeno ambiental y se
desdoparía (o reoxidaría) nuevamente el polímero, volviendo a su estado natural.

10. Bibliografía
 http://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_%28semiconductores%29
 http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor
 http://definicion.de/semiconductor/