En general, los semiconductores son materiales, inorgánicos u orgánicos, que tienen la capacidad de controlar su conducción dependiendo de la estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes. El nombre semiconductor proviene del hecho de que estos materiales tienen una conductividad eléctrica entre la de un metal, como cobre, oro, etc. y un aislante, como el vidrio. Tienen una brecha de energía inferior a 4eV (aproximadamente 1eV). En física del estado sólido, este intervalo de energía o intervalo de banda es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de electrones están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (por ejemplo, de la radiación ionizante) para atravesar el intervalo de banda y alcanzar la banda de conducción. Las propiedades de los semiconductores están determinadas por la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción. Para entender qué es semiconductor, tenemos que definir estos términos.
Propiedades de los semiconductores.
Para comprender la diferencia entre metales , semiconductores y aisladores eléctricos , tenemos que definir los siguientes términos de la física de estado sólido:
Banda de valencia . En física del estado sólido, la banda de valencia y la banda de conducción son las bandas más cercanas al nivel de Fermi y, por lo tanto, determinan la conductividad eléctrica del sólido. En aisladores eléctricos y semiconductores, la banda de valencia es el rango más alto de energías de electrones en el que los electrones están normalmente presentes a temperatura cero absoluta. Por ejemplo, un átomo de silicio tiene catorce electrones. En el estado fundamental, están dispuestos en la configuración electrónica [Ne] 3s 2 3p 2 . De estos, cuatro son electrones de valencia, ocupando el orbital 3s y dos de los orbitales 3p. La distinción entre las bandas de valencia y conducción no tiene sentido en los metales, porque la conducción se produce en una o más bandas parcialmente rellenas que adquieren las propiedades de las bandas de valencia y conducción.- Banda de conducción . En física del estado sólido, la banda de valencia y la banda de conducción son las bandas más cercanas al nivel de Fermi y, por lo tanto, determinan la conductividad eléctrica del sólido. En aisladores eléctricos y semiconductores, la banda de conducción es el rango más bajo de estados electrónicos vacantes . En un gráfico de la estructura de banda electrónica de un material, la banda de valencia se encuentra por debajo del nivel de Fermi, mientras que la banda de conducción se encuentra por encima de él. En los semiconductores, los electrones pueden alcanzar la banda de conducción, cuando están excitados , por ejemplo, por radiación ionizante (es decir, deben obtener una energía mayor que el espacio E) Por ejemplo, el diamante es un semiconductor de intervalo de banda ancha ( intervalo E = 5,47 eV) con alto potencial como material de dispositivo electrónico en muchos dispositivos. Por otro lado, el germanio tiene una pequeña energía de banda prohibida ( brecha E = 0.67 eV), que requiere operar el detector a temperaturas criogénicas. La distinción entre las bandas de valencia y conducción no tiene sentido en los metales, porque la conducción se produce en una o más bandas parcialmente rellenas que adquieren las propiedades de las bandas de valencia y conducción.
- Brecha de banda . En física de estado sólido, la brecha de energía o la brecha de banda es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de electrones están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (por ejemplo, de la radiación ionizante) para atravesar el intervalo de banda y alcanzar la banda de conducción. Las brechas de banda son naturalmente diferentes para diferentes materiales. Por ejemplo, el diamante es un semiconductor de intervalo de banda ancha ( intervalo E = 5,47 eV) con alto potencial como material de dispositivo electrónico en muchos dispositivos. Por otro lado, el germanio tiene una pequeña energía de banda prohibida ( brecha E = 0.67 eV), que requiere operar el detector a temperaturas criogénicas.
- Nivel Fermi . El término «nivel de Fermi» proviene de las estadísticas de Fermi-Dirac , que describe una distribución de partículas sobre estados de energía en sistemas que consisten en fermiones (electrones) que obedecen el principio de exclusión de Pauli . Como no pueden existir en estados de energía idénticos, el nivel de Fermi es el término utilizado para describir la parte superior de la colección de niveles de energía de electrones a temperatura cero absoluta . El nivel de Fermi es la superficie del mar de Fermi.en cero absoluto donde ningún electrón tendrá suficiente energía para elevarse por encima de la superficie. En metales, el nivel de Fermi se encuentra en la banda de conducción hipotética que da lugar a electrones de conducción libre. En semiconductores, la posición del nivel de Fermi está dentro del intervalo de banda, aproximadamente en el medio del intervalo de banda.
Par de agujeros de electrones . 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.
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