Es bien sabido que la conductividad de un material depende de la concentración de electrones libres en él. Bueno conductores consisten en una gran concentración de electrones libres, mientras que los aislantes consisten en una pequeña concentración de electrones libres. El nivel de concentración del electrón libre en los semiconductores está entre los valores de densidad de los electrones libres en el conductor y aislante. Por eso la conductividad de la semiconductor es moderado, no muy alto y no muy bajo. La tipicidad del semiconductor es que los electrones de la valla del semiconductor no son libres como el metal, sino que quedan atrapados en el enlace entre dos adyacentes átomos. El germanio y el silicio son dos semiconductores muy utilizados. La estructura cristalina de ambos semiconductores consiste en una repetición regular de la unidad tridimensional.
Tomemos el ejemplo del germanio donde hay 32 electrones en órbita a través del núcleo en cada átomo.
Cada átomo del germanio contribuye con cuatro electrones de valencia para hacer el enlace covalente con cuatro átomos de germanio adyacentes en el cristal. Así que los átomos son tetravalentes. El núcleo iónico inerte del germanio actúa como una carga positiva de +4 cargas electrónicas. Los electrones de valanceo en el cristal de germanio sirven para unir un átomo con el siguiente. Por lo tanto, puede decirse que los electrones de valance están estrechamente ligados a los átomos del cristal. Por eso, aunque un átomo de germanio tiene cuatro electrones de valencia en él, el cristal de germanio en su conjunto no es un excelente conductor de la electricidad. A temperaturas de cero absoluto, un cristal semiconductor se comporta como un aislante ya que no hay portadores gratuitos de electricidad disponibles.
Sin embargo, a temperatura ambiente (300oK), algunos de los enlaces covalentes en el cristal se rompen debido a la energía disponible y este fenómeno hace que la disponibilidad de electrones libres en el cristal y, por lo tanto, la conducción del semiconductor puede ser en cierta medida posible a temperatura ambiente. La energía necesaria para romper el enlace covalente es de unos 0,72 eV en el germanio, y eso es 1,1 eV en el silicio a temperatura ambiente. Cuando un enlace covalente se rompe, el cualquiera de los electrones que anteriormente participaba en la formación del enlace sale con el mantenimiento de un lugar vacío detrás de él en el enlace. Este vacío se conoce como un agujero.
El significado del agujero en el semiconductor es que también pueden ser referidos como portadores de electricidad en comparación con los electrones. El mecanismo por el cual los agujeros llevan la electricidad es algo diferente del mecanismo por el cual los electrones llevan la electricidad. Cuando hay un enlace incompleto en un cristal semiconductor, existe un agujero en el enlace. Es un poco más fácil para el electrón, formar un vínculo con la vecindad átomospor lo tanto, deja su posición anterior para ocupar el nuevo agujero creado cerca. Cuando un electrón se mueve para llenar un agujero de su posición anterior en el enlace, deja otro nuevo agujero detrás de él.
Cuando se crea el segundo agujero, entonces el electrón de cualquier otro vínculo de vecindad puede salir para llenar el segundo agujero con la creación de un nuevo agujero detrás de él. Por lo tanto, se puede visualizar que como tales agujeros se mueven en dirección opuesta al movimiento de los electrones. De esta manera el semiconductor conduce la electricidad con la ayuda de estos dos tipos de electricidad o carga los portadores (electrones y agujeros). A partir de la explicación anterior si pensamos sinceramente podemos visualizar que mientras un agujero se mueve de una dirección a otra al mismo tiempo el electrón se mueve en dirección opuesta a esa. Esto significa que siempre que los agujeros se mueven en una dirección respectiva hacia adelante, la carga negativa se mueve en la dirección opuesta o hacia atrás. La carga negativa se mueve en dirección hacia atrás implica que la carga positiva se movía en dirección hacia adelante. Por lo tanto, se puede concluir que el movimiento de un agujero implica para llevar una carga positiva en un cristal semiconductor. En un cristal semiconductor ideal el número de agujeros creados por unidad de tiempo es exactamente igual al número de electrones que se liberan durante este tiempo. Si la temperatura aumenta, la tasa de creación de pares de agujeros de electrones aumenta y cuando la temperatura disminuye, el número de pares de agujeros de electrones se reduce debido a la recombinación de electrones y agujeros en el cristal.
Cuando se crea un par de agujeros de electrones, se producen dos portadores de carga. Uno es un portador de carga negativo asociado al electrón y el otro es un portador de carga positivo asociado al agujero. Digamos que la movilidad del agujero en el cristal esh y la movilidad de los electrones en el mismo cristal ese. Estos agujeros y electrones se mueven en dirección opuesta. Los electrones siempre tienden a moverse en sentido contrario al aplicado campo eléctricola densidad de corriente debida a la deriva de los agujeros viene dada por,
La densidad de corriente debida a la deriva de los electrones viene dada por,
Como la deriva de los agujeros contribuye con la corriente en la misma dirección y la deriva de los electrones proporciona actual en dirección opuesta, en ambos casos, las corrientes están en la misma dirección que en la dirección de la deriva de los agujeros. Por lo tanto, la corriente resultante debido a estos dos portadores de carga será la suma aritmética de dos corrientes y por lo tanto la densidad de corriente resultante sería,
Donde, n es la magnitud de la concentración de electrones libres, p es la magnitud de la concentración de los agujeros y es el Conductividad del semiconductor.
Si el semiconductor es idealmente puro, entonces habría el mismo número de electrones y agujeros libres. Eso significa que n = p = ni (decir). Si la temperatura del semiconductor aumenta, la concentración de portadores de carga (electrones y agujeros) también aumenta. Por lo tanto, la conductividad de un semiconductor se incrementa en consecuencia. La relación entre la temperatura y la concentración de portadores de carga en un semiconductor intrínseco se da como
Donde, T es la temperatura en la escala Kelvin.
De la ecuación anterior se desprende que la concentración de portadores de carga en un semiconductor aumenta exponencialmente muy rápidamente con el aumento de la temperatura. Aquí encontramos que la concentración de agujeros y electrones en el germanio aumenta un 6% por un incremento de cada grado centígrado de temperatura. Es del 8% para el silicio. Este fenómeno hace que un dispositivo semiconductor sea muy sensible a la temperatura. Este cambio de concentración de portadores de carga en un semiconductor debido a la temperatura afecta a las características y el rendimiento de los dispositivos semiconductores. Por lo tanto, hay que tener especial cuidado en mantener la temperatura dentro de un límite especificado durante el funcionamiento de este tipo de dispositivos semiconductores. Sin embargo, esta pronta sensibilidad a la variación de la temperatura hace que el semiconductor sea útil para muchas aplicaciones. Muchos semiconductores de fabricación especial se utilizan como transductores para medir la temperatura. Estos dispositivos se conocen como termistores.
