Los semiconductores presentan un diagrama de bandas similar al de los sólidos aislantes pero con una separación entre las bandas de valencia y de conducción menor de 3.0 eV. La característica principal de un semiconductor es que su conductividad eléctrica aumenta con la temperatura. A la temperatura ambiente, los semiconductores presentan conductividades eléctricas intermedias entre la de los metales y la de los aislantes (generalmente del orden de 10-3 S cm-1). En la Tabla 1 se presentan las separaciones de bandas típicas para algunos aislantes y semiconductores. Los semiconductores se pueden clasificar en intrínsecos y extrínsecos.
Tabla 1. Aislantes, semiconductores y conductores
Elemento |
Separación entre
bandas (eV) |
Tipo de material |
|---|---|---|
| Diamante | 6.0 |
Aislante |
| Silicio | 1.1 |
Semiconductor |
| Germanio | 0.7 |
Semiconductor |
| Estaño gris | 0.1 |
Semiconductor |
| Estaño blanco | 0 |
Metal |
| Plomo | 0 |
Metal |
Semiconductores intrínsecos
En un semiconductor intrínseco la separación entre la banda de valencia y la de conducción es tan pequeña que a la temperatura ambiente algunos electrones ocupan niveles de energía de la banda de conducción. La ocupación de estos niveles introduce portadores de carga negativa en la banda superior y huecos positivos en la inferior y como resultado, el sólido es conductor. Un semiconductor, a la temperatura ambiente, presenta, generalmente, una menor conductividad que un metal pues existen pocos electrones y huecos positivos que actúan como portadores. A medida que aumenta la temperatura aumenta la población de los niveles en la banda de conducción y el número de portadores se hace mucho mayor, por lo que la conductividad eléctrica también aumenta (Fig. 10)
Figura 10. Semiconductor intrínseco.
Semiconductores extrínsecos
Un semiconductor extrínseco es aquel en el que se han introducido pequeñas cantidades de una impureza con el objeto de aumentar la conductividad eléctrica del material a la temperatura ambiente. A este proceso se le conoce como dopado. Así, por ejemplo, el número de portadores negativos (electrones) puede aumentar si se dopa el material con átomos de un elemento que tenga más electrones de valencia que el que compone dicho material semiconductor. El nivel de dopado no debe de ser muy alto (1 átomo por cada 109 átomos del material de partida) para que sea efectivo.
Si se introducen átomos de arsénico ([Ar]4s24p3) en un cristal de silicio ([Ne]3s23p2), se habrá añadido un electrón extra por cada átomo de arsénico que sustituye al de silicio. El efecto del dopado es sustitucional, en el sentido de que el átomo de As sustituye al de silicio en la red cristalina. Los átomos donadores de arsénico, muy alejados unos de otros por la baja concentración de dopado, formarán una banda muy estrecha que se encuentra próxima en energía a la banda de conducción del silicio (Figura 11a). A la temperatura ambiente, algunos de los electrones de la banda del arsénico serán promocionados a la banda de conducción. En otras palabras, los electrones del arsénico se transferirán a los orbitales vacíos del silicio. A este proceso se le conoce como semiconductividad de tipo n, indicando la letra n que los portadores de cargas son los electrones (carga negativa).
Figura 11. Semiconductor de tipo n (a) y semiconductor de tipo p (b).
Un proceso de dopaje alternativo consiste en sustituir átomos de silicio por átomos de un elemento que tenga menos electrones en su capa de valencia, como el Ga ([Ar]4s24p1). La sustitución de un átomo de silicio por uno de galio introduce un hueco en el sólido. Los átomos de Ga forman una banda aceptora que se encuentra muy cerca de la banda de valencia del silicio (Figura 11b). A la temperatura ambiente los electrones de la banda de valencia del Si se promocionan a la banda aceptora del galio; ésto ocasiona la formación de huecos en la banda de valencia del Si que permiten la movilidad de los electrones de dicha banda. Los responsables de la conductividad eléctrica son los huecos positivos de forma que a este semiconductor se le denomina de tipo p.