En el semiconductor, los portadores de carga libre son electrones y agujeros de electrones (pares de electrones). Los electrones y los agujeros se crean por excitación de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Un agujero de electrones (a menudo simplemente llamado agujero) es la falta de un electrón en una posición donde uno podría existir en un átomoo enrejado atómico. Es uno de los dos tipos de portadores de carga que son responsables de crear corriente eléctrica en materiales semiconductores. Como en un átomo normal o en una red cristalina, la carga negativa de los electrones se equilibra con la carga positiva de los núcleos atómicos, la ausencia de un electrón deja una carga positiva neta en la ubicación del agujero. Los agujeros cargados positivamente pueden moverse de un átomo a otro en materiales semiconductores a medida que los electrones abandonan sus posiciones. Cuando un electrón se encuentra con un agujero, se recombinan y estos portadores libres desaparecen efectivamente. La recombinación significa que un electrón que ha sido excitado desde la banda de valencia a la banda de conducción vuelve al estado vacío en la banda de valencia, conocido como los agujeros.
La conductividad de un semiconductor se puede modelar en términos de la teoría de la banda de sólidos . El modelo de banda de un semiconductor sugiere que a temperaturas normales existe la posibilidad finita de que los electrones puedan alcanzar la banda de conducción y contribuir a la conducción eléctrica. En el semiconductor, los portadores de carga libre ( pares de electrones ) se crean por excitación de electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción. Esta excitación dejó un agujero en la banda de valencia que se comporta como carga positiva y se crea un par de electrones. Los agujeros a veces pueden ser confusos ya que no son partículas físicas como lo son los electrones, sino que son la ausencia de un electrón en un átomo. Los agujeros pueden moverse de un átomo a otro en materiales semiconductores a medida que los electrones abandonan sus posiciones.
Excitación de electrones en semiconductores
La energía para la excitación se puede obtener de diferentes maneras.
Excitación térmica
Los pares de agujeros de electrones también se generan constantemente a partir de energía térmica, en ausencia de cualquier fuente de energía externa. La excitación térmica no requiere ninguna otra forma de impulso de arranque. Este fenómeno ocurre también a temperatura ambiente. Es causada por impurezas, irregularidades en la estructura reticular o por dopante. Depende en gran medida del espacio E (una distancia entre la valencia y la banda de conducción), de modo que para un espacio E más bajoaumenta una cantidad de portadores de carga excitados térmicamente. Dado que la excitación térmica produce el ruido del detector, se requiere enfriamiento activo para algunos tipos de semiconductores (por ejemplo, germanio). Los detectores basados en silicio tienen un ruido suficientemente bajo incluso a temperatura ambiente. Esto es causado por la gran brecha de banda de silicio (Egap = 1.12 eV), que nos permite operar el detector a temperatura ambiente, pero se prefiere enfriar para reducir el ruido.
Excitación óptica
Tenga en cuenta que la energía de un solo fotón de espectro de luz visible es comparable con estos espacios de banda. Los fotones de longitudes de onda de 700 nm a 400 nm tienen energías de 1.77 eV 3.10 eV. Como resultado, también la luz visible es capaz de excitar electrones a la banda de conducción. En realidad, este es el principio de los paneles fotovoltaicos que generan corriente eléctrica.
Excitación por radiación ionizante
Los electrones pueden alcanzar la banda de conducción, cuando son excitados por la radiación ionizante (es decir, deben obtener energía más alta que Egap). En general, las partículas cargadas pesadas transfieren energía principalmente mediante:
- Excitación. La partícula cargada puede transferir energía al átomo, elevando los electrones a niveles de energía más altos.
- Ionización La ionización puede ocurrir cuando la partícula cargada tiene suficiente energía para eliminar un electrón. Esto da como resultado una creación de pares de iones en la materia circundante.
Una variable conveniente que describe las propiedades de ionización del medio circundante es el poder de detención . La expresión clásica que describe la pérdida de energía específica se conoce como la fórmula Bethe . Para las partículas alfa y las partículas más pesadas, el poder de detención de la mayoría de los materiales es muy alto para las partículas cargadas pesadas y estas partículas tienen rangos muy cortos.
Además de estas interacciones, las partículas beta también pierden energía por el proceso radiactivo conocido como bremsstrahlung . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía y la radiación de desaceleración se conoce como bremsstrahlung («radiación de frenado») .
Los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente (a pesar de que son eléctricamente neutros) a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, pero la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa. Aunque se conoce una gran cantidad de posibles interacciones, existen tres mecanismos clave de interacción con la materia.
En todos los casos, una partícula de radiación ionizante deposita una parte de su energía a lo largo de su camino. La partícula que pasa a través del detector ioniza los átomos del semiconductor, produciendo los pares de electrones . Por ejemplo, el espesor típico del detector de silicio es de aproximadamente 300 µm, por lo que el número de pares de electrones generados por partículas ionizantes mínimas (MIP) que pasan perpendicularmente a través del detector es de aproximadamente 3.2 x 10 4 . Este valor es menor en comparación con el número total de portadores libres en semiconductores intrínsecos de una superficie de 1 cm 2 y el mismo grosor. Tenga en cuenta que una muestra de germanio puro a 20 ° C contiene aproximadamente 1.26 × 10 21 átomos, pero también contiene 7.5 x 10 11electrones libres y 7.5 x 10 11 agujeros generados constantemente a partir de energía térmica . Como se puede ver, la relación señal / ruido (S / N) sería mínima. La adición de 0.001% de arsénico (una impureza) dona 10 15 electrones libres adicionales en el mismo volumen y la conductividad eléctrica aumenta en un factor de 10,000. En material dopado, la relación señal / ruido (S / N) sería aún menor. El enfriamiento del semiconductor es una forma de reducir esta relación.
Se puede lograr una mejora mediante el uso de un voltaje de polarización inversa a la unión PN para agotar el detector de portadores libres, que es el principio de la mayoría de los detectores de radiación de silicio. En este caso, se aplica voltaje negativo al lado p y positivo al segundo. Los agujeros en la región p son atraídos desde la unión hacia el contacto p y de manera similar para los electrones y el contacto n.
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