FÍSICA DE SEMICONDUCTORES BANDAS DE ENERGÍA UN Ricardo Bernal Becerra -fsc03Ricardo- 15/06/15

Bandas de energía Primero sabemos que existen niveles de energía discretos y bien definidos, luego a medida que los electrones en un sistema se acercan cada vez más entre sí, las funciones de onda de estos se sobreponen. Ahora pues, los electrones pueden encontrarse en un mismo nivel energía al juntar los átomos, pero dichos electrones no pueden ocupar precisamente el mismo nivel, luego entonces tendrán que tratar de ubicarse en un nivel diferente, pero a su vez este nuevo nivel debe estar muy cercano. Lo anterior implica que los niveles de energía conocidos y bien definidos desde el comienzo, se conviertan en bandas de energía conformadas por niveles muy cercanos por el agrupamiento de estos electrones.

Bandas de energía en los materiales En general, todos los materiales cuentan con una estructura de bandas de energía diferente y debido a esta es que podemos caracterizarlos en 3 tipos diferentes como los aislantes, conductores y semiconductores. Estos materiales se caracterizan así: Aislantes: Poseen un gap muy grande entre la banda de valencia y la de conducción. Conductores: NO poseen gap entre las bandas, estas se sobreponen entre sí. Semiconductores: Poseen un gap pequeño entre sus bandas de energía.

Materiales aislantes Como ya vimos en la diapositiva anterior, los materiales aislantes se caracterizan por tener un gap o zona prohibida muy grande que evita el posible paso de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, inclusive al estar expuestos a altas temperaturas. Por estas características, los materiales aislantes son un tipo de materiales muy útiles en una gran cantidad de aplicaciones en cuanto a sistemas de seguridad eléctricos y electrónicos.

Materiales conductores Los materiales conductores se caracterizan por no tener un gap o zona prohibida entre la banda de conducción y la banda de valencia, esto permite el libre paso de electrones entre las dos bandas y así la movilidad de portadores. Para fines prácticos, estos materiales nos sirven para la transmisión de energía eléctrica o intercambio de información de datos para comunicaciones o un sinfín mas de aplicaciones eléctricas y electrónicas.

Materiales semiconductores Son materiales que se encuentran en la mitad, en cuanto a sus características, de los dos tipos de materiales descritos anteriormente. Estos como ya sabemos poseen una zona prohibida pequeña para que bajo las condiciones apropiadas pueda darse el paso de electrones de una banda a otra según las excitaciones a las que nosotros los expongamos, según nos convenga, como lo son los campos electromagnéticos. Estos materiales son mas comunes en aplicaciones para dispositivos electrónicos y dio el gran paso para el desarrollo tecnológico del siglo xx.

Qué son materiales intrínsecos, extrínsecos y anfóteros Un semiconductor cristalino sin ninguna impureza o defectos de patrón se conoce como semiconductor Intrínseco. En estos materiales no hay portadores de carga a una temperatura 0K, ya que la banda de valencia está llena de electrones y la banda de conducción vacía. También existen semiconductores a los que se les introducen impurezas dentro de su estructura cristalina para alterar sus características, estos son conocidos como extrínsecos. El proceso conocido como dopaje, se usa para variar la conductividad de los semiconductores. Un caso particular se produce cuando un material de grupo III o V de la tabla periódica es dopado con silicio o germanio del grupo IV. Estas impurezas son llamadas Anfóteras, ya que el Silicio y el Germanio sirven como donadores o aceptores.

Tipos de semiconductores Podemos clasificar a los semiconductores en dos tipos particularmente: Semiconductor tipo N: Es el que se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones). Semiconductor tipo P: Es el que se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).

Tipos de semiconductores También tenemos otra clasificación que permite dividir a los semiconductores entre directos e indirectos: En el caso de los semiconductores directos los electrones emiten luz al realizar el transporte entre bandas de energía. En caso contrario, en los semiconductores indirectos para que un electrón pueda pasar de una banda a la otra requiere un impulso energético que suele venir de energía en forma de calor.