Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
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Silicio intrínseco
La conductividad eléctrica del silicio puro depende completamente del portador generado térmicamente. El silicio químicamente puro se llama silicio intrínseco.
El silicio es un elemento semiconductor vital. El silicio es un material del grupo IV. En su órbita exterior, tiene cuatro electrones de valencia que se mantienen mediante enlaces covalentes con los electrones de valencia de cuatro átomos de silicio adyacentes. Estos electrones de valencia no están disponibles para la electricidad. Entonces, en O o K, el silicio intrínseco se comporta como un aislante . Cuando la temperatura aumenta, algunos electrones de valencia rompen los enlaces covalentes debido a la energía térmica. Esta vacante en el enlace, provocada por dejar un electrón libre, se considera un hueco. En otras palabras, a cualquier temperatura superior a 0 oK algunos de los electrones de valencia en el cristal semiconductor ganan suficiente energía para saltar a la banda de conducción desde la banda de valencia y dejar un agujero en la banda de valencia. Esta energía es aproximadamente igual a 1,2 eV a temperatura ambiente (es decir, a 300 o K) que es igual a la energía de banda prohibida del silicio.
En el cristal de silicio intrínseco , el número de huecos es igual al número de electrones libres. Dado que cada electrón cuando sale del enlace covalente aporta un agujero en el enlace roto. A cierta temperatura, siempre se crean nuevos pares de electrones-huecos al ganar energía térmica, pero al mismo tiempo, se pierde el mismo número de pares de electrones-huecos debido a la recombinación. Por lo tanto, a una temperatura particular en un cierto volumen de silicio insíntrico, el número de pares de electrones y huecos permanece igual. Ésta es una condición de equilibrio. Por lo tanto, es obvio que en la condición de equilibrio, la concentración de electrones libres n y la concentración de huecos p son iguales entre sí, y esto no es más que la concentración de portador de carga intrínseca (n i ). es decir, n = p = n i . losLa estructura atómica se muestra a continuación.
Silicio intrínseco a 0 o K
Silicio intrínseco a temperatura ambiente
Silicio extrínseco
El silicio que tiene átomos de impurezas trivalentes o pentavalentes en su cristal se conoce como silicio extrínseco .
El silicio intrínseco se puede convertir en silicio extrínseco cuando se dopa con una cantidad controlada de dopantes. Está dopado con un átomo donante (elementos del grupo V) se convierte en semiconductor de tipo n y cuando está dopado con átomos aceptores (elementos del grupo III) se convierte en un semiconductor de tipo p .
Deje que se agregue una pequeña cantidad de elemento del grupo V a un cristal de silicio intrínseco. Los ejemplos de elementos del grupo V son fósforo (P), arsénico (As), antimonio (Sb) y bismuto (Bi). Tienen cinco electrones de valencia. Cuando desplazan un átomo de Si, los cuatro electrones de valencia forman enlaces covalentes con los átomos vecinos y el quinto electrón que no participa en la formación del enlace covalente se une libremente al átomo principal y puede dejar fácilmente el átomo como un electrón libre. La energía necesaria para que el silicio tenga este propósito, que es para liberar ese quinto electrón, es de aproximadamente 0.05 eV. Este tipo de impureza se denomina donante, ya que aporta electrones libres al cristal de silicio. El silicio se conoce como silicio de tipo n o de tipo negativo, ya que los electrones son partículas cargadas negativamente.
El nivel de energía de Fermi se acerca a la banda de conducción en el silicio tipo n. Aquí, el número de electrones libres aumenta sobre la concentración intrínseca de electrones. Por otro lado, el número de huecos disminuye con respecto a la concentración intrínseca de huecos, ya que hay más probabilidad de recombinación debido a la mayor concentración de electrones libres. Los electrones son portadores de carga mayoritarios .
Silicio extrínseco con impureza pentavalente
Si se agrega una pequeña cantidad de elementos del grupo III a un cristal semiconductor intrínseco , entonces desplazan un átomo de silicio, los elementos del grupo III como AI, B, IN tienen tres electrones de valencia. Estos tres electrones forman enlaces covalentes con los átomos vecinos creando un agujero. Este tipo de átomos de impurezas se conocen como aceptores. Se supone que el semiconductor conocido como semiconductor de tipo p como agujero está cargado positivamente.
Silicio extrínseco con impureza trivalente
El nivel de energía de Fermi se mueve hacia abajo, más cerca del enlace de valencia en los semiconductores de tipo p. Aquí, el número de huecos aumenta y el número de electrones disminuye con respecto a la concentración de portador intrínseco de silicio, ya que aquí los electrones libres tienen muchos huecos en el cristal. En los semiconductores de tipo p, los agujeros son los portadores de carga mayoritarios .
Concentración de portador intrínseco de silicio
Cuando un electrón salta de la banda de valencia a la banda de conducción debido a la excitación térmica, se crean portadores libres en ambas bandas que son el electrón en la banda de conducción y el agujero en la banda de valencia. La concentración de estos portadores se conoce como concentración de portador intrínseco. Prácticamente en el cristal de silicio puro o intrínseco, el número de huecos (p) y electrones (n) son iguales entre sí, y son iguales a la concentración de portador intrínseco n i . Por lo tanto, n = p = n i
El no. de estos portadores depende de la energía de la banda prohibida. Para el silicio, la energía de la banda prohibida es de 1,2 eV a 298 o K, la concentración de portador intrínseco en el silicio aumenta con el aumento de la temperatura. La concentración de portadores intrínsecos en el silicio está dada por,
Aquí, T = temperatura en escala absoluta.
La concentración de portador intrínseco a 300 o K es 1.01 × 10 10 cm -3 . Pero el valor previamente aceptado es 1,5 × 10 10 cm -3 .
