TL; DR: el tipo p tiene un exceso de estados de energía disponibles, actuando como un aceptador de carga, el tipo n tiene una relativa falta de tales estados, actuando como donante. Esta afirmación no puede simplificarse considerablemente sin ser incorrecta, aunque son posibles muchas analogías.
Nota: esta respuesta no asume ningún conocimiento previo de semiconductores, pero está escrita desde el punto de vista de alguien que ha oído hablar de la noción. Palabras clave en cursiva .
En primer lugar, un semiconductor es una clasificación de materia de estado sólido que tiene la conductividad entre la de un aislante y la de un metal. Cuando se disponen en cierta formación cristalina, los elementos en bruto pueden exhibir esta propiedad, denominándose ‘semiconductores intrínsecos’.
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El grafito ( alótropo hexagonal de carbono) es un conductor (más pobre que el aluminio, pero aún lo suficientemente bueno como para usarse en motores eléctricos cepillados a la antigua), mientras que el diamante, a primera vista, parece ser un aislante *.
Aquí es donde entra la magia. Resulta que medir diferentes muestras de diamante natural (no puede hacerlo con un multímetro), todas las cuales tienen impurezas de otros átomos, tienen una conductancia muy diferente. Esto es válido para una amplia gama de concentraciones de impurezas: del 1% al 0.000000001% relativamente puro.
Los metales no se comportan así. Si tengo un trozo de alambre de cobre y empiezo a poner tierra, su resistencia no cambia significativamente. Eck, la superficie de cobre o hierro se oxida instantáneamente en la atmósfera, y la conducción no se ve seriamente obstaculizada después de que se forma una pátina (suponiendo que la erosión no continúe hasta que no quede nada del material original).
Entonces, ¿qué causa este cambio? Volviendo al asunto especialmente arreglado. El semiconductor más utilizado, el silicio, cuando se procesa, tiene los átomos dispuestos microscópicamente en una disposición cúbica centrada en la cara (FCC):
Y este modelo ficticio seco y ‘matemático’ de una celda se repite en todas las direcciones del espacio 3D. Esto es importante, porque FCC es la forma más eficiente de empaquetar átomos en un espacio. Los diamantes naturales son la conclusión obvia de que la materia prima se aplasta bajo miles de millones de kg de masa bajo la corteza terrestre durante cientos de millones de años. (Sí, dale una buena era geológica después de la extinción de los humanos y apenas quedará evidencia de que estemos en este planeta). Los semiconductores cultivados comercialmente no intentan replicar esas condiciones, sino que usan trucos.
Ahora, el carbono, el silicio germanio, son elementos del Grupo 14 (o IV de estilo antiguo) son el semiconductor intrínseco de elección. Cuando se refina a una pureza ridícula y se arregla en esta forma cristalina, particularmente Si & Ge tienen conductividades usablemente bajas. Hm, entonces, ¿qué sucede si inyectamos intencionalmente una impureza diseñada para alterar el equilibrio de este cubo lleno?
Uhhhhh … nada mucho. Seguramente, debe haber un nivel más profundo en esto.
La materia organizada de esta forma tendrá una forma modificada de cómo se comportan los electrones. Primero, los electrones se sientan en capas discretas, o capas de un átomo, pulsando en orbital sop (patrón de órbita)
[A pesar de ser una imagen icónica de la ciencia, el modelo Rutherford de un átomo no ha sido la descripción más precisa de cómo se verían los átomos durante ~ 90 años]
Una representación ligeramente mejor y aplanada de un átomo, que muestra claramente las conchas.
En cambio: así es como pueden verse las nubes de electrones de un átomo (no podemos “verlas” directamente debido al principio de incertidumbre ):
Imagine el núcleo como un pequeño punto en el centro, seguido de mucho espacio vacío, y eventualmente los electrones que orbitan alrededor de estos patrones extraños (esferoides o globulares bilobulares, hasta patrones similares a torres para elementos más pesados).
Una representación de los orbitales Si es así; las flechas representan la dirección del giro, y podemos ver que la última capa de Si, o la capa de valencia, pierde 4 electrones. Si está en una muy buena posición para aceptar o donar 4 electrones, por lo que cuando tiene esto en una red (muchos átomos cuyos orbitales han interactuado entre sí, se autoensamblan en una forma distinta, como FCC ), esta necesidad es satisfecho mediante la distribución de electrones alrededor del lugar, que prácticamente llena los estados vacíos de cualquier átomo dado.
No hay estados para llenar -> no importa con qué interactuar -> la materia no tiene carga eléctrica intrínseca -> mala conducción.
Cualquier conducción que quede puede explicarse por la superficie, las imperfecciones en el cristal y, lo que es más importante, el hecho de que los electrones se desvinculan de los átomos para formar un ‘gas de electrones’ incoherente alrededor de los núcleos (inicialmente conocido como modelo Drude ).
[El modelo de gas de electrones libre . Los electrones ahora liberados de la banda de conducción se mueven de forma degenerada en la red. Aquí también se muestra interactuando con los fotones entrantes; estos pueden colisionar con un electrón de banda de valencia (‘núcleo’), desplazándolo a la región de gas de electrones : así es como funcionan las células solares]
Si de repente, uno de esos átomos se desaloja con, por ejemplo, Boro, que tiene 5 electrones faltantes, entonces el material podría absorber más electrones, aumentando su potencial de conductividad (lo llamamos un aceptador ). Debido a que tiene menos electrones, el potencial electroquímico de este nuevo material es positivo con respecto al silicio intrínseco, por lo que se denomina tipo p. No tenemos que usar Boro, podemos usar cualquier otro material que tenga menos electrones en la última capa, aunque a menudo se evitan los metales debido a las complicaciones que surgen en este esquema (más sobre eso más adelante).
El tipo N tiene un exceso de electrones, por lo tanto, un potencial electroquímico negativo con respecto al FCC intrínseco. Los especialistas en semiconductores siempre prefieren material de tipo “ligeramente n” (si pueden salirse con la suya), ya que tiene una mayor afinidad por los metales y conduce a mejores contactos eléctricos.
Hasta ahora, si vamos a representar esos niveles de las dos últimas capas atómicas en el cristal, tenemos un diagrama como este, donde el eje vertical es energía en unidades arbitrarias (en la práctica será electrón-Volt, una fracción insignificante de un Joule) y un eje horizontal arbitrario sin significado:
La banda superior, la banda de conducción, es la última capa donde hay menos electrones disponibles (y, por lo tanto, estados libres para llenar con más electrones), mientras que la banda inferior está empaquetada y, debido al principio de exclusión de Pauli , no permitirá más electrones, por lo que la corriente no puede viajar allí.
Las bandas en un metal se superponen, creando arbitrariamente una alta densidad de estados disponibles (conduciendo así bien).
Sin embargo, en los semiconductores, estas bandas son discretas, separadas por una “zona prohibida” o brecha de energía, donde a 0 K (temperatura 0 absoluta), no habrá electrones presentes.
Ahora podemos ver por qué dopar un semiconductor con un metal puede ser una mala idea (aunque se hace en la práctica por razones complicadas): esas bandas superpuestas no son buenas para la discontinuidad de la brecha. Y esto también explica por qué los metales realmente no reaccionan a las impurezas.
Por lo tanto, en el caso de un tipo p, con muchos estados disponibles para electrones, este intervalo de banda se eleva, mientras que un tipo n tiene un intervalo de banda que es menor. Cuando se juntan, los electrones viajan del donante rico a la región receptora pobre, dejando una región vacía y vacía en el medio que se comportaría momentáneamente como el semiconductor original. Este proceso se llama “difusión” y el dispositivo resultante forma la base de un diodo de unión pn.
Tenga en cuenta que nunca he mencionado agujeros hasta ahora. Un agujero es una cuasi partícula inventada realmente para satisfacer la tercera ley de la mecánica, de la acción y la reacción. Un agujero NO ES una ausencia de un electrón, y vuelve a la densidad de los argumentos (disponibles) de los estados.
Arriba: observe el intervalo de banda, la unidad de electronvoltio, la posibilidad de que los electrones salten de la valencia a la banda de conducción (y viceversa). La analogía del intervalo de banda o del potencial electroquímico es similar a la de una pelota rodando cuesta abajo. Cuando aplicamos voltaje al diodo, también pateamos la pelota, lo que resulta en una corriente de deriva intencional.
La analogía de la corriente de deriva / difusión es similar a esta burbuja de aire que se mueve en una botella de agua:
¿Confundido mucho? Bien, ¿qué se mueve: el agua o el aire? La respuesta correcta es sí.
Si desea leer con más detalle sobre esto, le recomiendo que siga este recurso o cualquier otro libro (como el tratado de Charles Kittel sobre estado sólido) o notas de clase.
Física básica de semiconductores
Para los aisladores, la brecha es tan grande que necesitamos eventos molestos de alta energía para que puedan llevarse a cabo. Los electrones deben ser lo suficientemente energéticos como para saltar sobre esta barrera, y esto puede suceder con altos voltajes (kV a GV) o con radiación altamente ionizante, como los rayos gamma. Pero esta es una respuesta para otro momento.
Otra clase de semiconductores inorgánicos está hecha de aleaciones cristalinas, donde 2 o más átomos diferentes cambian de posición en el cubo de arriba.
Puede tratarse de arseniuro de galio (GaAs), una aleación cristalina que se utiliza en los láseres (incluidos los de su reproductor de DVD) por sus propiedades ópticas (el ancho de la banda está directamente relacionado con las propiedades ópticas). El hecho de que tales materiales funcionen demuestra el modelo de gas de electrones .
Hay otra clase de semiconductores que consta completamente de materiales orgánicos (orgánicos como en largas cadenas de C, H, N, O). Todo lo que se dice aquí sobre inorgánicos es correcto en principio, pero la física que involucra esta clase es considerablemente más complicada.
* El diamante es, de hecho, un semiconductor de banda ancha y se puede dopar de manera efectiva para cambiar sus propiedades, aunque no se usa directamente en circuitos electrónicos, a menos que se explote por su excelente conductividad térmica. Tiene un nicho de uso con la fotónica, y los ingenieros de materiales están constantemente pensando cómo hacer que este material sea compatible con los procesos CMOS-Si “tradicionales”, aunque generalmente se evitan si se pueden emplear alternativas más baratas; Incluso el diamante industrial requiere bastante energía para fabricar. Ver la respuesta de Inna Vishik a ¿Por qué las mujeres desean diamantes? (lo siento por ser un idiota)
Ninguna de las imágenes en esta publicación son trabajos originales, y se obtuvieron con una búsqueda rápida en Google y representan un uso justo para ilustrar una idea.
