Tema 1. Principios físicos de los semiconductores

El tema está dedicado a presentar una introducción sobre el análisis de los distintos tipos de sólidos, la teoría de bandas, las propiedades eléctricas de los semiconductores, los distintos tipos de conducción en semiconductores y los dispositivos semiconductores.

En primer lugar se comentan los distintos tipos de enlaces y de sólidos, distinguiendo, fundamentalmente, entre sólidos iónicos, covalentes y metálicos, e introduciendo el modelo de electrones libres para metales y el concepto de densidad de estados y la distribución de Fermi-Dirac.

Se analiza la diferencia entre los conductores, aislantes y semiconductores en función de su estructura de bandas y la separación entre las bandas de valencia y de conducción. Cuando los átomos se enlazan entre sí en la materia condensada, sus niveles de energía se reparten en bandas. En el cero absoluto, los aislantes y los semiconductores tienen una banda de valencia totalmente llena, separada por un intervalo vacío de energía, de una banda de conducción vacía. Sin embargo, en el caso de los semiconductores el intervalo vacío entre estas dos bandas es del orden de 1 eV. Los conductores tienen bandas de conducción parcialmente llenas. También se distingue entre semiconductor intrínseco y semiconductor extrínseco. en este último caso, la adición de pequeñas concentraciones de impurezas al semiconductor puede cambiar drásticamente sus propiedades eléctricas. Si se añaden impurezas donadoras se obtiene un semiconductor tipo n, mientras que si se añaden impurezas receptoras el resultado es un semiconductor extrínseco de tipo p. En este punto es importante introducir la ecuación del semiconductor o ley de acción de masas, ecuación esencial en el estudio de semiconductores y dispositivos semiconductores así como la condición de neutralidad eléctrica.

A continuación se describen los fenómenos de transporte de cargas que aparecen en los semiconductores, bien como consecuencia de la aplicación de campos eléctricos (corriente de arrastre), bien por la existencia de gradientes de concentración de los portadores (corriente de difusión). Los conceptos de velocidad de arrastre, densidad de corriente y conductividad que aquí se establecen son análogos a los introducidos para conductores metálicos en el tema de corriente eléctrica, con la diferencia que en aquel caso los portadores son electrones libres, mientras que en un semiconductor pueden ser electrones (cargas negativas) y huecos (cargas positivas).

El último apartado del tema está dedicado a los dispositivos semiconductores, presentando de una manera introductoria las características básicas del diodo y del transistor. Comenzamos estudiando la unión p-n, tanto en polarización directa como en polarización inversa, pues este tipo de unión es la base para la construcción de diodos y transistores. Se incluyen sus características básicas de funcionamiento como son las corrientes de electrones y huecos, las características tensión-corriente en un diodo, y las tensiones y corrientes en un transistor. También se analizan algunas aplicaciones de estos dispositivos.

About Augusto Beléndez

Catedrático de Universidad de Física Aplicada en el Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal de la Universidad de Alicante. Director del Instituto Universitario de Física Aplicada a las Ciencias y las Tecnologías (IUFACyT) así como del Grupo de Investigación "Holografía y Procesado Óptico" (GHPO) y del Grupo de Innovación Tecnológica-Educativa "Física, Óptica y Telecomunicaciones" (GITE-FOT).
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