Conducción intrínseca

Vamos a explicar el comportamiento de los semiconductores denominados intrínsecos (germanio y silicio puros) a partir de un modelo cualitativo: el modelo de enlace covalente.

Para comprender el comportamiento eléctrico de estos materiales, es importante tener en cuenta su estructura cristalina comentada anteriormente: cada átomo está rodeado de cuatro átomos vecinos, y con cada uno de ellos comparte dos electrones, uno del propio átomo y otro del átomo vecino, dando lugar a una distribución espacial como la que se muestra en la figura. Cada átomo de silicio sería el centro de un tetraedro en cuyos vértices están los cuatro átomos de silicio con los que forma enlaces covalentes.

Esta distribución espacial puede simplificarse mediante la representación en dos dimensiones mostrada en la siguiente figura, donde las esferas grandes representan los núcleos junto con las capas completas de electrones, y las esferas pequeñas representan los electrones compartidos.

Esta estructura corresponde a un cristal puro, y a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto donde todos los electrones de valencia se encuentran ligados a sus átomos.

Si la temperatura aumenta, estos electrones ligados pueden llegar a poseer suficiente energía como para romper el enlace y convertirse en electrones libres dentro del sólido, es decir, electrones de conducción, responsables de la conductividad eléctrica. La energía necesaria para romper un enlace se llama energía de ionización y es de 0,7 eV para el germanio, y 1,1 eV para el silicio.

Con este modelo se explica porque al aumentar la temperatura o al iluminar el semiconductor, aumenta la conductividad. Al proporcionar energía al semiconductor estamos permitiendo a un mayor número de electrones ligados que se conviertan en electrones libres, contribuyendo a los procesos de conducción. Además, la energía que se proporcione a los electrones debe ser superior a la energía de ionización, por lo cual se entiende porque en ambos casos existe un umbral de energía por debajo del cual la conductividad no sufre variación.

Por otro lado, cuando un electrón abandona un enlace se produce en él una vacante denominada hueco. Dicho hueco se comporta, a todos los efectos, como si de una partícula con carga positiva se tratase, ya que si aplicamos un campo eléctrico, los electrones tienden a moverse en sentido contrario al campo, y aunque no sean electrones libres sí pueden saltar de un enlace a otro próximo, necesitando para ello una cantidad de energía mucho menor que la necesaria para romper el enlace y crear el par electrón-hueco. La consecuencia de estos movimientos es que el hueco se ha trasladado, moviéndose en la dirección y sentido del campo. La existencia del hueco como si de una partícula real se tratara llega incluso hasta el punto de asignarle una masa, que se denomina masa efectiva del hueco que es del mismo rango que la masa del electrón.

Al proceso de ruptura del enlace covalente se le llama generación de pares electrón-hueco. Por otro lado, una vez se han generado pares electrón-hueco, es también posible el proceso inverso en el cual un electrón libre ocupa un hueco, pasando a ser ligado, liberando una determinada cantidad de energía. Este proceso se le denomina recombinación de pares electrón-hueco. Cuando el semiconductor está en equilibrio la generación y la recombinación crean y hacen desaparecer el mismo número de pares electrón-hueco en el mismo tiempo, y por lo tanto las concentraciones de ambos portadores de carga se mantienen constantes y son idénticas. A temperatura ambiente las concentraciones de equilibrio son del orden de 1019 - 1020 pares electrón–hueco/m3.

A la conductividad descrita, que recordemos es debida a la generación de pares electrón-hueco, se le denomina intrínseca.

Ider Guerrero

EES

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