E7 Fisica de Semiconductores

Tópico

Los semiconductores conducen electricidad a medio camino entre un buen conductor y un aislante, gracias a que existe una banda de energía prohibida relativamente estrecha entre los electrones ligados a los átomos y los electrones libres de moverse por el material. En el cero absoluto de temperatura, un semiconductor puro se comporta como un aislante perfecto; a temperatura ambiente, la agitación térmica basta para excitar algunos electrones hacia la banda donde pueden conducir, generando a la vez un electrón libre y un hueco —la ausencia de ese electrón, que se comporta como una carga positiva móvil—.

Cuantos más electrones libres se generan térmicamente, más crece esta concentración intrínseca de portadores, y lo hace de forma muy sensible tanto a la temperatura como al ancho de esa misma banda prohibida: un material con banda más ancha tiene muchísimos menos portadores libres a la misma temperatura que uno de banda más estrecha.

El dopaje es la técnica que hace útiles a los semiconductores: introducir deliberadamente átomos de impureza que aportan electrones libres adicionales —dopaje tipo N— o que aceptan electrones dejando huecos adicionales —dopaje tipo P—, permitiendo controlar con precisión la conductividad del material. Dentro de un semiconductor, la corriente circula por dos mecanismos que pueden coexistir: la corriente de deriva, impulsada por un campo eléctrico externo, y la corriente de difusión, impulsada simplemente porque los portadores tienden a moverse desde donde hay más concentración hacia donde hay menos, del mismo modo en que se difunde un perfume en una habitación. Una misma física estadística subyacente gobierna tanto la facilidad con que los portadores se mueven bajo un campo —su movilidad— como la facilidad con que se difunden por diferencia de concentración, de modo que ambos fenómenos, aunque distintos en apariencia, no son independientes entre sí.

Por eso este módulo, que abre con una banda prohibida que separa electrones ligados de electrones libres, cierra mostrando que dopar un semiconductor no crea un material nuevo sino que inclina deliberadamente, en una dirección o en otra, este mismo balance entre electrones y huecos que la propia temperatura ya establece de forma espontánea.

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