1. Propiedades de semiconductores

Banda de energía

Un átomo consiste en un núcleo y electrones que orbitan alrededor del núcleo.
Los electrones no pueden orbitar el núcleo a ninguna distancia en el espacio atómico que lo rodea, pero solo se permiten ciertas órbitas muy específicas, y solo existen en niveles discretos específicos. Estas energías se llaman niveles de energía. Un gran número de átomos se reúnen para formar un cristal, e interactúan en un material sólido, luego los niveles de energía se espacian tan estrechamente que forman bandas. Esta es la banda de energía.
Los metales, semiconductores y aisladores se distinguen entre sí por sus estructuras de banda. Sus estructuras de banda se muestran en la siguiente figura.

En los metales, la banda de conducción y la banda de valencia se acercan mucho y pueden incluso superponerse, con la energía de Fermi （e）） en algún lugar del interior. Esto significa que el metal siempre tiene electrones que pueden moverse libremente y, por lo tanto, siempre pueden transportar corriente. Dichos electrones se conocen como electrones libres. Estos electrones libres son responsables de la corriente que fluye a través de un metal.

En semiconductores y aisladores, la banda de faldón y la banda de conducción están separadas por una brecha de energía prohibida (Eg)de ancho suficiente, y la energía de Fermi (e）) está entre la valencia y la banda de conducción. Para llegar a la banda de conducción, el electrón tiene que ganar suficiente energía para saltar la brecha de banda. Una vez hecho esto, puede conducir.

En semiconductores a temperatura ambiente, la brecha de banda es más pequeña, hay suficiente energía térmica para permitir que los electrones salten la brecha con bastante facilidad y realicen las transiciones en la banda de conducción, dada la conductividad limitada del semiconductor. A baja temperatura, ningún electrón posee energía suficiente para ocupar la banda de conducción y, por lo tanto, no es posible ningún movimiento de carga. En el cero absoluto, los semiconductores son aislantes perfectos, la densidad de electrones en la banda de conducción a temperatura ambiente no es tan alta como en los metales, por lo que no puede conducir corriente tan buena como el metal. La conductividad eléctrica del semiconductor no es tan alta como el metal, pero tampoco tan pobre como el aislante eléctrico. Es por eso que, este tipo de material se llama semiconductor, medio conductor.

El espacio de banda para aisladores es grande, por lo que muy pocos electrones pueden saltar el espacio. Por lo tanto, la corriente no fluye fácilmente en aisladores. La diferencia entre aisladores y semiconductores es el tamaño de la energía de la brecha de banda. En aisladores donde el espacio prohibido es muy grande y, como resultado, la energía requerida por el electrón para cruzar a la banda de conducción es prácticamente lo suficientemente grande. Los aisladores no conducen la electricidad fácilmente. Eso significa que la conductividad eléctrica del aislante es muy pobre.

Cristal semiconductor utilizado para IC, etc. es silicio monocristalino de alta pureza de 99,99999999%, pero cuando en realidad se hace un circuito, se agregan impurezas para controlar las propiedades eléctricas. Dependiendo de las impurezas añadidas, se convierten en semiconductores de tipo n y tipo p.

El fósforo pentavalente (P) o el arsénico (As) se añaden al silicio de alta pureza para semiconductores de tipo n. Estas impurezas se llaman donantes. El nivel de energía del donante se encuentra cerca de la banda de conducción, es decir, la brecha de energía es pequeña. Luego, los electrones a este nivel de energía se excitan fácilmente a la banda de conducción y contribuyen a la conductividad.

Por otra parte, boro trivalente (B), etc. se añade al semiconductor de tipo p. Esto se llama aceptor. El nivel de energía del aceptor está cerca de la banda de valencia. Como no hay electrones aquí, los electrones en la banda de valencia se excitan aquí. Como resultado, se forman agujeros en la banda de valencia, lo que contribuye a la conductividad.