El semiconductor es un material cuya conductividad se encuentra entre la de los conductores y los aisladores. Los semiconductores que son químicamente puros, es decir, libres de impurezas, se denominan semiconductores intrínsecos o semiconductores sin dopar o semiconductores de tipo i. Los semiconductores intrínsecos más comunes son silicio (Si) y germanio (Ge), que pertenecen al grupo IV de la tabla periódica. Los números atómicos de Si y Ge son 14 y 32, lo que produce su configuración electrónica como 1s2 2s2 2p6, 3s2 3p2 y 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, respectivamente. Esto indica que tanto Si como Ge tienen cuatro electrones cada uno en su capa más externa, es decir, valencia (indicada por el color rojo). Estos electrones se llaman electrones de valencia y son responsables de las propiedades de conducción de los semiconductores. La red cristalina de silicio (es igual incluso para el germanio) en dos dimensiones es como se muestra en la Figura 1. Aquí se ve 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 del emparejamiento, el semiconductor intrínseco se verá privado de portadores de carga gratuita que no son más que electrones de valencia. Por lo tanto, a 0K, la banda de valencia estará llena de electrones, mientras que la banda de conducción estará vacía (Figura 2a). En esta etapa, ningún electrón en la banda de valencia ganaría suficiente energía para cruzar la brecha de energía prohibida del material semiconductor. Así, los semiconductores intrínsecos actúan como aislantes a 0K.
Sin embargo, a temperatura ambiente, la energía térmica puede hacer que se rompan algunos de los enlaces covalentes, generando así los electrones libres como se muestra en la Figura 3a. Los electrones así generados se excitan y se mueven hacia la banda de conducción desde la banda de valencia, superando la barrera de energía (Figura 2b). Durante este proceso, cada electrón deja un agujero en la banda de valencia. Los electrones y agujeros creados de esta manera se denominan portadores de carga intrínseca y son responsables de las propiedades conductoras exhibidas por el material semiconductor intrínseco. Aunque los semiconductores intrínsecos son capaces de conducir a temperatura ambiente, debe tenerse en cuenta que la conductividad así exhibida es baja ya que solo hay unos pocos portadores de carga. Pero a medida que aumenta la temperatura, se rompen más y más enlaces covalentes, lo que da como resultado una cantidad cada vez mayor de electrones libres. Esto a su vez da como resultado el movimiento de una mayor cantidad de electrones hacia la banda de conducción desde la banda de valencia. A medida que aumenta la población de electrones en la banda de conducción, también aumenta la conductividad del semiconductor intrínseco. Sin embargo, el número de electrones (ni) en el semiconductor intrínseco permanece siempre igual al número de agujeros en él (pi).
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Al aplicar un campo eléctrico a dicho semiconductor intrínseco, se puede hacer que los pares de electrones se desvíen bajo su influencia. En este caso, los electrones se mueven en la dirección opuesta a la del campo aplicado, mientras que los agujeros se mueven en la dirección del campo eléctrico como se muestra en la Figura 3b. Esto significa que la dirección a lo largo de la cual se mueven los electrones y los agujeros es mutuamente opuesta. Esto se debe a que, cuando un electrón de un átomo en particular se mueve hacia, por ejemplo, hacia la izquierda, al dejar un agujero en su lugar, el electrón del átomo vecino ocupa su lugar al recombinarse con ese agujero. Sin embargo, al hacerlo, habría dejado un agujero más en su lugar. Esto puede verse como el movimiento de los agujeros (hacia el lado derecho en este caso) en el material semiconductor. Estos dos movimientos, aunque en dirección opuesta, dan como resultado el flujo total de corriente a través del semiconductor.
Matemáticamente, las densidades de portadores de carga en semiconductores intrínsecos están dadas por
Aquí,
Nc es la densidad efectiva de los estados en la banda de conducción.
Nv es la densidad efectiva de los estados en la banda de valencia.
k = 1.38 × 10-23 JK-1 es la constante de Boltzmann. T es la temperatura.
EF es la energía de Fermi.
Ev indica el nivel de banda de valencia.
Ec indica el nivel de la banda de conducción.
h = 6.624 × 10-34 Js es la constante de Planck.
mh es la masa efectiva de un agujero.
yo es la masa efectiva de un electrón.
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