Si nos fijamos en el sistema periódico, podemos ver que es lo que tienen en común estos materiales. El silicio y el germanio pertenecen al grupo IVB, lo que significa que tienen cuatro electrones en su última capa. El arseniuro de galio (como otros compuestos III-V) está formado por un elemento del grupo IIIB (tres electrones en su última capa) y otro del grupo VB (cinco electrones en su última capa), con lo que el número medio de electrones por átomo sigue siendo cuatro. Igual ocurre con los compuestos II-VI, como el sulfuro de cadmio (CdS) o el seleniuro de zinc (ZnSe). El hecho de que en todos ellos haya cuatro electrones por átomo está relacionado, como veremos, con el tipo de enlace químico, que es fundamentalmente covalente en los materiales semiconductores. En los semiconductores binarios el enlace tiene una componente iónica tanto mayor cuanto mas alejados en el sistema periódico se encuentran los elementos que los forman. Por otra parte, y relacionado con lo anterior, todos estos materiales son sólidos cristalinos, es decir, sólidos en los que los átomos están ordenados periódicamente en el espacio. Así, para introducir las propiedades de los semiconductores, revisaremos los conceptos de estructura cristalina y enlace químico.
ESTRUCTURA CRISTALINA DE ALGUNOS SEMICONDUCTORES
Los semiconductores del grupo IVB, como el silicio y el germanio tienen la misma estructura cristalina que el diamante. En dicha estructura cada átomo se encuentra en el centro de un tetraedro formado por otros cuatro átomos. Como veremos en el siguiente punto, ello es debido a la naturaleza puramente covalente del enlace químico en esos materiales. La figura 5 muestra la estructura del diamante (idéntica a la del Si y el Ge). Vemos que, igual que en la estructura del cloruro sódico, los átomos están en los vértices y en los centros de las caras de un cubo (se trata de una estructura cúbica centrada en caras). Los semiconductores compuestos binarios III-V y muchos de los II-VI tienen una estructura similar, que se llama estructura zinc-blenda, en la que las posiciones atómicas son las mismas pero en la red cristalina se van alternando los átomos de cada tipo, de manera que, por ejemplo, cada átomo de galio (en el arseniuro de galio) siempre está en el centro de un tetraedro formado por cuatro átomos de arsénico y cada átomo de arsénico está en el centro de un tetraedro formado por cuatro átomos de galio.
ENLACE QUÍMICO Y ESTRUCTURA CRISTALINA
El concepto de enlace químico en los sólidos describe la interacción mutua entre los electrones de valencia de todos los átomos que forman el sólido. Los factores que determinan la naturaleza del enlace son: la configuración electrónica de los propios átomos (número de electrones de la capa exterior , simetría de los estados ocupados) el entorno del átomo en la red cristalina (tipo, número y disposición de los próximos vecinos). Recordemos que en los átomos aislados los electrones se distribuyen en capas que pueden ser ocupadas solo por un número dado de electrones. Cuando todas las capas están ocupadas, el átomo está en una configuración estable y no forma moléculas, es decir, no establece enlaces con otros átomos. Es lo que ocurre con los gases nobles, todos ellos con ocho electrones en su capa externa.
Los otros elementos tienen de uno a siete electrones en su capa externa, distribuidos en orbitales de tipo s (con simetría esférica) u orbitales de tipo p (con simetría cilíndrica a lo largo de cada uno de los ejes cartesianos). Al formar enlaces estos orbitales pueden combinarse para formar los orbitales híbridos sp, sp2 o sp3. Recordemos la estructura de la molécula de metano: el carbono está en el centro de un tetraedro cuyos vértices están ocupados por sendos átomos de hidrógeno.
El carbono forma cuatro enlaces covalentes (uno con cada átomo de hidrógeno), que se originan a partir de orbitales híbridos sp3. Cuando en un cristal, el número de próximos vecinos coincide con el número de electrones de valencia por átomo, los electrones pueden asignarse por pares a enlaces entre próximos vecinos. Se habla entonces de enlace por pares de electrones localizados. El enlace químico en los semiconductores corresponde en general a lo que hemos llamado enlace por pares de electrones localizados o enlace covalente. En los semiconductores que hemos mencionado, la configuración de enlaces es similar a la de la molécula de metano: cada átomo está en el centro de un tetraedro y forma cuatro enlaces covalentes con sendos átomos situados en los vértices del tetraedro.
Cuando los dos átomos vecinos son de la misma naturaleza, la distribución de carga electrónica en el enlace es simétrica y se habla de enlace covalente puro. Es el caso del diamante, el silicio y el germanio. Cuando los átomos vecinos son diferentes, existe una asimetría en la distribución de la carga electrónica, que se desplaza hacia el átomo mas electronegativo o anión. En ese caso existe una componente iónica en el enlace. La contribución iónica es tanto mayor cuanto mayor es la diferencia de electronegatividad entre los átomos que componen el cristal. Así, los semiconductores III-V (GaAs, InP, GaP,InSb, etc) son menos iónicos que los semiconductores II-VI (CdS, CdTe, ZnSe, etc). Cuando la diferencia de electronegatividad es muy grande (como ocurre en los compuestos I-VII, como los haluros alcalinos, NaCl, KCl, etc) el electrón pasa a ocupar el estado vacío en la última capa del elemento mas electronegativo (el halógeno), que queda ionizado negativamente. El elemento alcalino queda ionizado positivamente. El enlace pasa a ser puramente iónico y el número de coordinación se hace mas grande. En el caso del NaCl (figura 2) cada anión (negativo) se rodea de seis cationes (positivos) y viceversa, de manera que se maximiza la energía de atracción electrostática. En el caso del CsCl (cloruro de cesio) cada catión de cesio está en el centro de un cubo formado por ocho aniones de cloro. En ese caso el número de coordinación es ocho.
Existen otros sólidos en los que el número de electrones por átomo es mucho menor que el número de próximos vecinos. Por ejemplo, en el cristal de sodio, cada átomo está en el centro de un cubo formado por otros ocho átomos. Como solo hay un electrón por átomo, no pueden formarse enlaces covalentes. Los electrones quedan completamente deslocalizados. La atracción electrostática entre la nube electrónica negativa y los iones positivos mantiene ligados a los átomos. Es lo que se llama el enlace de tipo metálico.
Estudiante: Leonardo A. Márquez F.
Electrónica del Estado Sólido (EES).
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