Semiconductores: Conceptos Básicos

Los semiconductores pueden conducir corriente eléctrica mediante dos tipos de portadores: los electrones y los huecos.

Estructura de Bandas

Banda prohibida: banda de energías que no puede estar ocupada por ningún electrón. La parte superior a esta banda es la banda de conducción.

Dispositivos Semiconductores

Unión P-N

Consiste en una transición brusca entre dos regiones de un semiconductor, una de tipo p y otra de tipo n. Esto significa que se trata de un semiconductor en que la distribución de impurezas, lejos de ser uniforme, pasa bruscamente de n a p. La superficie que separa ambas regiones es lo que se denomina unión p-n.

En una unión p-n, la difusión de los portadores rompe la neutralidad eléctrica y esto impide que las concentraciones se equilibren. Cuando los huecos de la zona p migran hacia la zona n, la ausencia de huecos implica una zona de carga negativa. En consecuencia, es carga fija que no puede moverse. Lo mismo sucede con los electrones que migran de la zona n a la zona p que dejan carga positiva sin neutralizar.

Transistor Bipolar

El efecto transistor es aquel por el cual se produce una amplificación de corriente. El transistor bipolar se compone de tres zonas semiconductoras de tipos n-p-n o p-n-p. En consecuencia, hay dos tipos de transistores bipolares: el transistor p-n-p y el n-p-n.

El transistor bipolar, sea del tipo que fuere, no es simétrico. Una de las zonas de los extremos está generalmente mucho más contaminada que la zona intermedia y recibe el nombre de Emisor (E). La zona intermedia se denomina base (B) y el otro extremo, colector (C). Cada una de estas zonas tienen un contacto con un terminal al exterior del dispositivo.

Saturación del Transistor

Si VCE es demasiado pequeña mientras estamos polarizando la base para que conduzca, resulta que la tensión en la unión de colector ya dejaría de ser inversa. En estas circunstancias, la corriente de colector se estanca, aunque sigamos aumentando la corriente de base.

Transistor de Efecto de Campo MOS (MOSFET)

La denominación de transistor MOS es un extracto de Metal-Óxido-Semiconductor que define la estructura de este tipo de transistores. Se compone de dos regiones semiconductoras de un determinado tipo sobre un sustrato del tipo opuesto. Una de las dos regiones recibirá el nombre de fuente, por ser ésta la que suministra los portadores de corriente, y la otra se denominará drenador, pues será la que recoja los portadores y les dé salida.

Cualquiera de las dos regiones puede ser fuente o drenador, pues la estructura de este transistor es simétrica. El drenador y la fuente son los extremos del transistor entre los que se establecerá la corriente del mismo cuando ésta exista. La superficie del semiconductor que se encuentra entre las regiones de drenador y fuente se encuentra cubierta por una fina capa aislante.

Generación y Recombinación de Portadores

  • Generación: proceso por el cual un electrón sube a la banda de conducción (BC) dejando un hueco en la banda de valencia (BV).
  • Recombinación: proceso por el cual un electrón de la BC cae a la BV haciendo desaparecer un hueco de la misma.
  • Generación Térmica: la energía que necesita un electrón para dar el salto entre la BV y la de conducción puede proceder de diferentes fuentes; la más habitual, y que siempre existe, como se vio en la sección anterior, es la agitación térmica de la propia red cristalina.

Energía de un Fotón

La energía hν del fotón ha de ser igual o superior a la anchura de la banda prohibida Eg = Ec – Ev = hν. La gran mayoría de los fotones emitidos tienen una energía muy próxima a la anchura de la BP (Eg) y la luz emitida en conjunto es bastante monocromática.

Impulso (p)

Fórmula de De Broglie: p = h/λ = ħk. Donde h es la constante de Planck, ħ = h/2π, λ la longitud de onda, k el número de onda y k el vector de onda cuyo módulo es el número de onda y cuya dirección y sentido son los de la propagación de onda.

Dopado de Semiconductores

  • Semiconductor Intrínseco/Puro: están exentos de impurezas.
  • Dopar: introducir impurezas en los semiconductores que sustituyen a algunos de los átomos de la red cristalina del semiconductor.
  • Impurezas Donadoras: si los átomos del elemento dopante tienen más electrones de valencia que los átomos del semiconductor. Aportan más electrones de conducción. En este caso se denominan impurezas tipo n, ya que dan lugar a semiconductores tipo n (con mayor concentración de electrones que de huecos) cuya conducción es mayoritariamente de electrones.
  • Impurezas Aceptadoras: si los átomos de impurezas tienen menos electrones de valencia que los del semiconductor. Aportan más huecos a la banda de valencia. En este caso, se denominan impurezas tipo p, ya que dan lugar a semiconductores tipo p (con mayor concentración de huecos que de electrones) cuya conducción es mayoritariamente de huecos.

Dispositivos Optoelectrónicos

Diodos PIN

Intercalan una capa de semiconductor intrínseco entre las zonas p-n, consiguiendo así ensanchar la región de carga de espacio, disminuyendo la capacidad eléctrica de la unión e incrementando la velocidad de respuesta. Al mismo tiempo, se reparte mejor la polarización inversa en el entorno de la unión y se mejora la eficiencia del dispositivo por estar en mayor proporción el arrastre de la barrera de potencial respecto a la distancia por la que los portadores han de difundirse hasta alcanzar la barrera.

Sensores Fotovoltaicos

Los sensores fotovoltaicos consisten fundamentalmente en una unión p-n con una de sus zonas, p o n, expuesta a la luz. Otra de sus características es que la superficie expuesta a la luz debe ser lo más cercana posible a la unión por las razones de eficiencia que se verán a continuación. Asimismo, la contaminación de impurezas suele ser baja en la zona de incidencia y bastante alta en la zona contraria.

Efecto Fotovoltaico

Al incidir la luz en una de las zonas se produce un incremento notable en la generación de pares electrón-hueco debido a la excitación por absorción fotónica. Los pares electrón-hueco se producen en la superficie del semiconductor donde incide la luz. Dichos portadores en exceso se difunden por el semiconductor. De ellos, los que son minoritarios en la zona y alcanzan la región de carga de espacio de la unión p-n antes de recombinarse, se verán arrastrados por la barrera de potencial hacia la zona opuesta. Surge, por tanto, una polarización por exceso de mayoritarios en ambas zonas, que da lugar a una tensión entre las mismas en circuito abierto con polaridad positiva en zona p y negativa en n. En consecuencia, si se establece conexión externa entre las zonas p y n, habrá corriente eléctrica.

Fotodiodos de Barrera Schottky

Consisten en una unión metal-semiconductor tipo n. El metal suele ser en realidad una aleación de metal con semiconductor que se comporta como metal y puede depositarse en el semiconductor con buena continuidad de la estructura atómica. Esta capa metálica puede ser transparente y muy delgada, con lo que la luz incide directamente en la región de carga de espacio de la unión, evitándose así la pérdida de eficiencia por recombinación.

Fototransistores

Tienen la estructura de un transistor normal, pero sin terminal eléctrico en la base. En lugar de ello, tienen la región de base expuesta a la luz, donde se produce generación fotónica de pares electrón-hueco igual que en los fotodiodos. Por efecto fotovoltaico, la unión de colector, inversamente polarizada, conduce a la inversa, dando lugar al efecto transistor: la corriente en la unión de colector atraviesa la unión de emisor polarizada directamente. Esto provoca la inyección adicional de minoritarios en base desde el emisor, multiplicando a su vez la corriente de colector. El fototransistor, por consiguiente, da lugar a corrientes mucho más altas que el fotodiodo, pero tiene una respuesta proporcionalmente más lenta.

Generación de Luz (Fotones)

El decaimiento de un electrón da lugar a la emisión de un fotón cuya frecuencia es directamente proporcional a la energía perdida en el decaimiento.

Emisión Térmica

Se produce cuando la excitación de los electrones se realiza térmicamente, es decir, calentando un material.

Cuerpo Negro

El cuerpo negro es un cuerpo ideal que absorbe absolutamente toda la radiación que le llega. Por eso se denomina cuerpo negro, por analogía al color negro que absorbe toda la radiación visible. El cuerpo negro emite solamente de acuerdo con su temperatura. Visto como elemento radiante, es el radiador perfecto. La radiación del cuerpo negro se distribuye en el espectro según la ley de Planck.

Ley de Wien

Permite de una forma muy sencilla relacionar la longitud de onda de máxima radiación con la temperatura.

Lámparas de Incandescencia

El dispositivo emisor térmico sin duda más extendido en todo el mundo es la bombilla de incandescencia. Es bien sabido que consta de un filamento resistivo que se calienta a una temperatura elevada por efecto Joule. Para evitar la oxidación de este filamento, se suele rellenar la bombilla con gases inertes como el argón. Una variante más moderna de las bombillas de incandescencia son las lámparas halógenas, pero el gas inerte del interior de la ampolla tiene una pequeña cantidad de un halógeno como el yodo o el bromo, consiguiendo que el filamento tarde más en oxidarse.

Lámparas de Descarga Electrónica

La excitación de los electrones, para que generen fotones por decaimiento, se realiza por colisión con una corriente de electrones. Una característica general de todos los emisores de descarga es que hay que proporcionarles un sistema de arranque para que inicie el arco voltaico y un regulador de la corriente. Atendiendo a la temperatura del cátodo, las lámparas de descarga en gas se pueden clasificar en lámparas de cátodo frío y lámparas de cátodo caliente.

Diodos Emisores de Luz (LEDs)

La excitación de los electrones que han de generar los fotones por decaimiento se lleva a cabo mediante la inyección de portadores minoritarios en un semiconductor de una determinada polaridad. Es decir, se eleva la energía de los electrones aplicando una tensión eléctrica.

LEDs Monocromáticos

Si ponemos en conducción una unión p-n, bajamos la altura de la barrera de potencial propia de la unión, con lo que los electrones mayoritarios de la zona n pasan a la zona p, donde son minoritarios, y viceversa, los huecos de la zona p fluyen hacia la zona n, donde son minoritarios. En ambos casos, el aumento drástico de la población de minoritarios en ambas zonas provoca una multitud de recombinaciones. Si estas recombinaciones son emisivas, tendremos una emisión de fotones con una energía muy próxima a la anchura de la banda prohibida del semiconductor en cuestión.

LEDs Blancos

Esencialmente, existen dos procedimientos para hacer que un LED emita luz blanca: por composición RGB o por fluorescencia. La composición RGB consiste en mezclar emisiones de LED rojo, con LED verde y con LED azul. El sistema de fluorescencia es muy similar al que utilizan los tubos fluorescentes: bien a partir de un LED ultravioleta, o bien a partir de un LED azul, se le añade una capa de compuestos fluorescentes que lo conviertan en luz blanca.

Láser

Se produce gracias a la emisión estimulada. Este proceso consiste en que la presencia de un fotón de la misma energía que la requerida para que los electrones desciendan a niveles inferiores estimula a éstos a la transición a dichos niveles con emisión de un fotón idéntico. En el estado normal del medio, la emisión estimulada se compensa con la absorción, de forma que la emisión predominante es la emisión espontánea. Los electrones tienden a situarse en el nivel de mínima energía, con lo que, si el medio se encuentra en equilibrio térmico, la probabilidad de ocupación de un nivel de energía E sigue una distribución de Fermi-Dirac. Así, es mucho más fácil que un fotón sea absorbido en vez de estimular otra emisión. Por consiguiente, se hace necesario excitar electrones hacia los niveles altos para que la probabilidad de electrones sea tal que la probabilidad de estimulación de emisión sea superior a la de absorción (inversión de la población). La inversión de población basta para producir láser.

Cavidades de Fabry-Perot

Pueden ser planas o esféricas y se basan en fenómenos de resonancia. Son capaces de almacenar energía y seleccionar por resonancia ciertas longitudes de onda. Actúan como filtro de luz. Si en el interior de la cavidad existe un medio susceptible de emisión estimulada y se provoca la inversión de población, estamos ante un dispositivo láser. Un aspecto destacable de los dispositivos láser es el umbral: sólo se produce la emisión cuando la amplificación excede las pérdidas más la transmisión del espejo de salida.

Tipos de Láseres

  • Láser de gas: consisten en realizar la inversión de población en un gas, normalmente por descarga electrónica en un tubo con el gas a baja presión.
  • Láseres de estado sólido: se basan en sólidos dieléctricos cristalinos o cristal dopado. El elemento activo es un ion introducido en la red cristalina del sólido al cual se le suele denominar Host.
  • Láseres de semiconductor: se basan en provocar la inversión de población en un semiconductor, para lo cual, el bombeo se suele provocar por la inyección de portadores minoritarios a través de una unión p-n. Estas uniones p-n pueden utilizarse al mismo tiempo para formar una cavidad resonante.
  • Láseres de colorante: utilizan colorantes orgánicos como medio activo para el láser. Ofrecen un rango de longitudes de onda más amplio que en otros tipos de láseres. La longitud de onda se sintoniza mediante el uso de la cavidad resonante apropiada.
  • Láseres químicos: utilizan reacciones químicas altamente exotérmicas, de forma que la elevada temperatura provoque estados excitados en un gas que produzca el láser.