La respuesta de una oración es ” debido a la cantidad de electrones de valencia que poseen los elementos del Grupo III y del Grupo V “. Para aclarar, deberíamos revisar rápidamente un hecho general, uno que probablemente sea rudimentario para usted, pero que une la teoría general del dopaje de semiconductores. En ese espíritu, recuerde que la Tabla Periódica posee un brillante esquema organizacional según el cual los elementos de un Grupo común (o “columna”) de la Tabla Periódica se agrupan (sin juego de palabras) por sus propiedades químicas similares. El más importante de estos es el número de electrones de valencia. Probablemente, la característica más conveniente de la tabla es que sabemos, simplemente ubicando el número de grupo de un elemento, cuántos electrones de valencia tiene. Por ejemplo, el hidrógeno y los metales alcalinos tienen un solo electrón de valencia, los metales alcalinotérreos tienen dos, los elementos del Grupo III tienen … esperen … tres, y así sucesivamente. Debido a que los electrones median las reacciones químicas, agrupar elementos por la cantidad de electrones en su capa de valencia de estado fundamental es la forma más poderosa de organización cuando lo que nos interesa es un comportamiento químico similar.
- Nota al margen: La regla del octeto , puede recordar, es para todos los fines prácticos, un principio al que se une el enlace químico para prácticamente todos los elementos durante el período 3 de la tabla periódica. Con esto en mente, puede parecer razonable racionalizar que la tetravalencia (es decir, un estado de valencia de cuatro) de carbono / silicio no los hace decididamente electronegativos ni decididamente electropositivos. Esta característica los hace muy adecuados como material base para semiconductores; Otra importante es que ambos elementos son susceptibles de concatenación ( es decir , la formación de sólidos de red extendidos), aunque esto es realmente una consecuencia más de su tetravalencia.
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Ahora, para abordar la pregunta en sí … sabemos que los elementos del Grupo IV (es decir, los elementos ultraestables y familiares de Carbono y Silicio) funcionan como el sustrato prototípico para los materiales semiconductores. Al ser elementos del Grupo IV, tienen (obviamente) cuatro electrones de valencia. Dopando un elemento del Grupo IV (supongamos, en lo que sigue estamos usando silicio, ya que es el estándar de la industria para materiales semiconductores), con un elemento del Grupo III introduce impurezas que tienen un electrón de valencia menos que los átomos de silicio. Como consecuencia, surge lo que llamamos ” agujeros ” [ Ref . Agujero de electrones]. A pesar de que un agujero no es una partícula física en la forma en que lo es un electrón, un agujero se considera, en cualquier medida, un portador de carga . Para visualizar cómo funciona esto, dibuje una analogía con un rompecabezas deslizante como el que se muestra a continuación. (Si esto no le resulta familiar, la premisa es que le dan un tablero de rompecabezas con una pieza faltante; no puede levantar ninguna pieza. El objetivo es reconstruir alguna imagen solo deslizando las fichas del rompecabezas hasta que todas estén colocadas adecuadamente )
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En esta metáfora, el agujero del electrón está representado por la ficha faltante. En silicio, el agujero no está localizado; es decir, es libre de moverse por todo el sólido. En su movimiento, un agujero sustituirá su posición con la de un electrón. Cuando el agujero se mueve a un punto, el electrón que estaba previamente allí debe moverse para acomodar el agujero. De esta manera, cada vez que el agujero se mueve, sus posiciones anteriores se vuelven a llenar con electrones. En nuestra analogía de rompecabezas, cada vez que la ficha faltante ( es decir , el “punto vacío”) cambia su posición, una ficha de rompecabezas real debe, necesariamente, moverse a la posición anteriormente vacía. (Dicho de otra manera, al mover un mosaico real al lugar vacío, el espacio vacío se convierte en ese lugar desde el cual se movió el mosaico real).
Lo que esto nos muestra es que, incluso al doparse con un elemento que tiene menos electrones de valencia que el sustrato de silicio (que da como resultado la existencia de agujeros de electrones), el movimiento de los electrones reales es forzado por el movimiento de los agujeros mismos.
El dopaje de elementos del Grupo IV con elementos del Grupo V presenta la situación inversa. La mayor cantidad de electrones de valencia en los átomos de impurezas (o dopantes ) equipa al sustrato con un exceso de electrones que son (como los agujeros) móviles. Esta situación es más directa porque el portador de carga es el electrón mismo (mientras que era el agujero del electrón en el escenario anterior). Es este exceso de electrones el que lleva la carga en estos llamados semiconductores de tipo n .
La elección de dopantes es un tema meticuloso y, fuera del dominio de la investigación y la experimentación, ha sido bien establecido para cosas como los materiales semiconductores utilizados en la electrónica de consumo. La cantidad de problemas que influyen en el diseño de ingeniería y la necesidad de que los objetivos del proyecto se alineen con la amabilidad de los compuestos limita las opciones. Entre las cosas que los ingenieros de semiconductores deben tener en cuenta están la eficacia y la velocidad de difusión del dopante en el sustrato, las concentraciones de portador (las concentraciones de portador demasiado altas de carga anulan todo el aspecto “controlado” que motiva a los semiconductores en primer lugar, mientras que demasiado bajo de concentraciones inhibe su funcionalidad), si dos elementos particulares son capaces de integrarse en una red cohesiva, químicamente estable, qué tan económicamente factible es el procedimiento, etc.
