En un semiconductor existe equilibrio eléctrico y termodinámico, es decir su carga neta es nula porque aunque exista generación térmica de portadores, lo que se forma son pares electrón-hueco, que se compensan eléctricamente y energéticamente. Igualmente, en semiconductores extrínsecos, existe equilibrio eléctrico, con la diferencia de que se requiere una menor energía para romper ese equilibrio eléctrico.
El equilibrio termodinámico implica que aunque térmicamente se produzca la ruptura de los enleces covalentes y el electrón salte a la banda de conducción (generación de un portador), también se producirá una recombinación, es decir, algún electrón de las capas de conducción quedará atrapado en un enlace covalente. La generación requiere energía y la recombinación la cede y el equilibrio termodinámico implica este equilibrio energético. Por esto, si no se producen variaciones externas (comunicación o cesión de energía), el equilibrio y el número de portadores se mantienen estables.
En los semiconductores extrínsecos el equilibrio termodinámico marca que, como el número total de portadores será fijo y el número de portadores mayoritarios será fijo y dependiente del dopado, el número de portadores minoritarios lo marca N(min)=Ni^2/N(may), donde Ni es el número de portadores impuesto por el equilibrio termodinámico. Se producirá una recombinación de los portadores minoritarios y una considerable reducción en su número, mientras que como el número de portadores mayoritarios es tan alto en comparación con los minoritarios, no se verá reducido apreciablemente, porque si de cada millón se recombina uno no afectará notablemente a la cifra final.
Esto tiene una gran importancia para comprender la velocidad en los transistores. La recombinación es un proceso que requiere energía y la recombinación de portadores minoritarios se ve dificultada ya que su número es escaso.
Sin embargo, cuando se aplica energía (campo eléctrico, calor, luz...) esta situación de equilibrio se altera, deja de existir equilibrio termodinámico y no se cumple que el producto del número de portadores sea igual a lo que marca la condición de equilibrio termodinámico. Habrá más o menos, dependiendo de si se produce inyección (más) o extracción (menos).
| El caso del calor hemos visto que puede generar más pares electrón-hueco, a la derecha podemos ver una serie de respuestas de NTCs (negative thermal coeficient), resistores que disminuyen su valor resistivo a medida que aumenta la temperatura. Pero también lo puede generar la luz (efecto fotoeléctrico). Cuando se produce una cesión de energía radiante que supera la anchura energética de la banda prohibida se pueden generar pares electrón hueco. |  |
| Aumenta el número de portadores y aumenta la conductividad. Esta es la base de la operación de los fotoresistencias, de la que incluímos una gráfica de respuesta a la derecha, los fotodiodos (abajo, derecha), los fototransistores... Además la respuesta será diferente para distintas longitudes de onda, dependiendo del material, y tendrá un tiempo determinado de respuesta. |  Respuesta de una fotoresistencia |
| Este es también el motivo de que los semiconductores sean sensibles a la radioactividad, a rayos gamma concretamente, ya que aumenta las concentraciones de portadores. Los semiconductores son también sensibles a campos electromagnéticos de alta potencia, porque pueden ionizar sus átomos, pueden arrancar electrones y dejar huecos libres, creando portadores. |  Respuesta de un fotodiodo |
Las condiciones anteriores pueden alterar el equilibrio termodinámico pero no alteran el eléctrico, cada par electrón-hueco tiene una resultante neutra. Sin embargo existe otro tipo de perturbación que puede alterar el equilibrio eléctrico, y es producir un campo eléctrico. En un semiconductor extrínseco se requiere poca energía para arrancar un electrón (tipo N) o recombinarlo (tipo P), y esta movilidad hará que en presencia de un campo eléctrico las cargas se desplacen y se redistribuyan por el semiconductor siguiendo el campo eléctrico. Se puede llegar incluso a una situación denominada capa de inversión, donde la concentración (por la inyección que produce el campo eléctrico) de portadores minoritarios es tan alta, y la extracción de mayoritarios por parte del campo eléctrico es también tan alta, que la concentración de minoritarios supera a la de mayoritarios, pasándo los minoritarios a ser mayoritarios. Esto tiene una gran importancia en el transistor de efecto de campo.
Corrientes
En un estado de equilibrio un semiconductor no tiene carga neta, existen portadores libres, pero éstos se compensan unos a otros.
Sin embargo, cuando se rompe el equilibrio, por ejemplo por la aplicación de un campo magnético externo se producirá una redistribución de las cargas, donde los eletrones tenderán a moverse en el sentido contrario del campo y los huecos siguiendo el sentido del campo. Lógicamente esta reubicación será proporcional al número de portadores y será más evidente en semiconductors extrínsecos, que poseen más portadores móviles, y estará dominada por los portadores mayoritarios. Aumentando el campo se puede llegar a un extremo en el que en un lado se acumulan tantos portadores mayoritarios que en el otro los minoritarios pasarán a ser mayoritarios, símplemente por la "desaparición" de los mayoritarios. Esta zona con predominio de portadores opuestos a los mayoritarios se denomina capa de inversión, y tiene una gran importancia en el funcionamiento de los transistores MOSFET.
A la corriente que genera la reubicación de los portadores se la denomina corriente de deriva.
Pero también puede suceder que en un mismo cristal se encuentren concentraciones de portadores desiguales, y entonces surgirán corrientes de portadores de las zonas donde están en exceso a las zonas donde están en menor concentración. A esta reubicación se la denomina corriente de difusión. Estas corrientes están asociadas a los dos tipos de portadores, no a uno sólo.
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