Semiconductor extrínseco

Un semiconductor extrínseco es aquel que ha sido dopado ; durante la fabricación del cristal semiconductor , se ha incorporado químicamente un oligoelemento o sustancia química llamada agente dopante , con el fin de conferirle propiedades eléctricas diferentes a las del cristal semiconductor puro, que se denomina semiconductor intrínseco . En un semiconductor extrínseco, son estos átomos dopantes extraños en la red cristalina los que proporcionan principalmente los portadores de carga que transportan la corriente eléctrica a través del cristal. Los agentes dopantes utilizados son de dos tipos, lo que da lugar a dos tipos de semiconductores extrínsecos. Un dopante donador de electrones es un átomo que, al incorporarse al cristal, libera un electrón de conducción móvil en la red cristalina. Un semiconductor extrínseco dopado con átomos donadores de electrones se denomina semiconductor de tipo n , porque la mayoría de los portadores de carga en el cristal son electrones negativos. Un dopante aceptor de electrones es un átomo que acepta un electrón de la red, creando una vacante donde debería haber un electrón, que se denomina hueco y que puede moverse a través del cristal como una partícula con carga positiva. Un semiconductor extrínseco que ha sido dopado con átomos aceptores de electrones se denomina semiconductor de tipo p , porque la mayoría de los portadores de carga en el cristal son huecos positivos.

El dopaje es clave para la extraordinaria variedad de comportamientos eléctricos que pueden exhibir los semiconductores, y los semiconductores extrínsecos se utilizan para fabricar dispositivos electrónicos semiconductores como diodos , transistores , circuitos integrados , láseres semiconductores , LED y células fotovoltaicas . Los sofisticados procesos de fabricación de semiconductores, como la fotolitografía, permiten implantar diferentes elementos dopantes en distintas regiones de la misma oblea de cristal semiconductor, creando dispositivos semiconductores en la superficie de la oblea. Por ejemplo, un tipo común de transistor, el transistor bipolar npn , consta de un cristal semiconductor extrínseco con dos regiones de semiconductor de tipo n, separadas por una región de semiconductor de tipo p, con contactos metálicos unidos a cada parte.

Una sustancia sólida solo puede conducir corriente eléctrica si contiene partículas cargadas, electrones , que se mueven libremente y no están unidos a los átomos. En un conductor metálico , son los átomos del metal los que proporcionan los electrones; normalmente, cada átomo libera uno de sus electrones de la órbita externa para convertirse en un electrón de conducción que puede moverse por todo el cristal y transportar corriente eléctrica. Por lo tanto, el número de electrones de conducción en un metal es igual al número de átomos, una cantidad muy grande, lo que convierte a los metales en buenos conductores.

A diferencia de los metales, en los semiconductores, los átomos que componen el cristal no proporcionan los electrones responsables de la conducción. La conducción eléctrica se debe a los portadores de carga móviles (electrones o huecos) aportados por impurezas o átomos dopantes en el cristal. En un semiconductor extrínseco, la concentración de átomos dopantes en el cristal determina en gran medida la densidad de portadores de carga, lo que a su vez determina su conductividad eléctrica , así como muchas otras propiedades eléctricas. Esta es la clave de la versatilidad de los semiconductores: su conductividad puede modificarse en varios órdenes de magnitud mediante el dopaje.

El dopaje de semiconductores es el proceso que transforma un semiconductor intrínseco en uno extrínseco. Durante el dopaje, se introducen átomos de impureza en el semiconductor intrínseco. Estos átomos de impureza pertenecen a un elemento distinto al del semiconductor intrínseco y actúan como donadores o aceptores , modificando así las concentraciones de electrones y huecos. Los átomos de impureza se clasifican como donadores o aceptores según el efecto que producen en el semiconductor intrínseco.

Los átomos de impurezas donadoras poseen más electrones de valencia que los átomos a los que reemplazan en la red intrínseca del semiconductor. Estas impurezas donadoras "ceden" sus electrones de valencia adicionales a la banda de conducción del semiconductor, proporcionándole electrones en exceso. El exceso de electrones incrementa la concentración de portadores de carga (n₀ ₎ del semiconductor, convirtiéndolo en un semiconductor de tipo n.

Los átomos de impurezas aceptoras tienen menos electrones de valencia que los átomos a los que reemplazan en la red intrínseca del semiconductor. Estos átomos "aceptan" electrones de la banda de valencia del semiconductor, lo que genera un exceso de huecos en el semiconductor. Este exceso de huecos aumenta la concentración de portadores de carga (p₀ ₎ del semiconductor, convirtiéndolo en un semiconductor de tipo p.

Los semiconductores y los átomos dopantes se definen por la columna de la tabla periódica en la que se encuentran. La columna que ocupa el semiconductor determina la cantidad de electrones de valencia que poseen sus átomos y si los átomos dopantes actúan como donantes o aceptores.

Los semiconductores del grupo IV utilizan átomos del grupo V como donantes y átomos del grupo III como aceptores.

Los semiconductores de los grupos III-V , también conocidos como semiconductores compuestos , utilizan átomos del grupo VI como donadores y átomos del grupo II como aceptores. Estos semiconductores también pueden utilizar átomos del grupo IV como donadores o aceptores. Cuando un átomo del grupo IV reemplaza a un elemento del grupo III en la red cristalina del semiconductor, actúa como donador. Por el contrario, cuando un átomo del grupo IV reemplaza a un elemento del grupo V, actúa como aceptor. Los átomos del grupo IV pueden actuar tanto como donadores como aceptores; por lo tanto, se les conoce como impurezas anfóteras .

Los semiconductores extrínsecos son componentes de muchos dispositivos eléctricos comunes. Un diodo semiconductor (dispositivo que permite el paso de corriente en una sola dirección) consta de semiconductores de tipo p y de tipo n unidos entre sí. Actualmente, la mayoría de los diodos semiconductores utilizan silicio o germanio dopado.

Los transistores (dispositivos que permiten la conmutación de corriente) también utilizan semiconductores extrínsecos. Los transistores de unión bipolar (BJT), que amplifican la corriente, son un tipo de transistor. Los BJT más comunes son los de tipo NPN y PNP. Los transistores NPN tienen dos capas de semiconductores de tipo n que rodean un semiconductor de tipo p. Los transistores PNP tienen dos capas de semiconductores de tipo p que rodean un semiconductor de tipo n.

Los transistores de efecto de campo (FET) son otro tipo de transistor que amplifica la corriente mediante semiconductores extrínsecos. A diferencia de los transistores bipolares (BJT), se denominan unipolares porque operan con un solo tipo de portador : canal N o canal P. Los FET se dividen en dos familias: el transistor de efecto de campo de puerta de unión (JFET), que son semiconductores de tres terminales, y el transistor de efecto de campo de puerta aislada ( IGFET ), que son semiconductores de cuatro terminales. 

Otros dispositivos que implementan el semiconductor extrínseco:

• láseres
• Celdas solares
• Fotodetectores
• diodos emisores de luz
• tiristores

• Semiconductor intrínseco
• Dopaje (semiconductor)
• Lista de materiales semiconductores

• Neamen, Donald A. (2003). Física y dispositivos semiconductores: Principios básicos (3.ª ed.) . McGraw-Hill Higher Education. ISBN 0-07-232107-5.

• Howstuffworks: Cómo funcionan los semiconductores