Semiconductor es un material cuya conductividad se encuentra entre la del conductores y el aislantes. Los semiconductores que son químicamente puros, es decir, libres de impurezas, se llaman Semiconductores intrínsecos o semiconductor sin dopaje o semiconductor tipo i. Los semiconductores intrínsecos más comunes son el silicio (Si) y el germanio (Ge), que pertenecen al Grupo IV de la tabla periódica. Los números atómicos de Si y Ge son 14 y 32, lo que da su configuración electrónica como 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 y 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2respectivamente.
Esto indica que tanto el Si como el Ge tienen cuatro electrones cada uno en su capa exterior, es decir, en la capa de valencia (indicada por el color rojo). Estos electrones se llaman electrones de valencia y son responsables de las propiedades de conducción de los semiconductores.
La red cristalina de Silicio (es la misma incluso para el Germanio) en dos dimensiones es como se muestra en la Figura 1. Aquí se ve que cada electrón de valencia de un átomo de Si se empareja con el electrón de valencia del átomo de Si adyacente para formar un enlace covalente.
Después del emparejamiento, el semiconductor intrínseco se priva de los portadores gratuitos que no son más que los electrones de valencia. Por lo tanto, a 0K la banda de valencia estará llena de electrones mientras que la banda de conducción estará vacía (Figura 2a). En esta etapa, ningún electrón de la banda de valencia ganaría suficiente energía para cruzar la brecha de energía prohibida del material semiconductor. Por lo tanto, los semiconductores intrínsecos actúan como aislantes a 0K.
Sin embargo, a temperatura ambiente, la energía térmica puede hacer que se rompan algunos de los enlaces covalentes, generando así los electrones libres como se muestra en la figura 3a. Los electrones así generados se excitan y se desplazan hacia la banda de conducción desde la banda de valencia, superando la barrera de la energía (Figura 2b). Durante este proceso, cada electrón deja un agujero en la banda de valencia. Los electrones y agujeros creados de esta manera se llaman portadores de carga intrínseca y son responsables de las propiedades conductivas exhibidas por el material semiconductor intrínseco.
Aunque los semiconductores intrínsecos son capaces de conducir a temperatura ambiente, aquí podemos observar que la conductividad así exhibida es baja ya que sólo hay unos pocos portadores de carga. Pero a medida que la temperatura aumenta, más y más enlaces covalentes se rompen lo que resulta en más y más cantidad de electrones libres. El número de electrones libres, a su vez, resulta en el movimiento de un mayor número de electrones en la banda de conducción desde la banda de valencia. A medida que aumenta la población de electrones en la banda de conducción, la conductividad del semiconductor intrínseco también aumenta. Sin embargo, el número de electrones (ni) en el semiconductor intrínseco permanece siempre igual al número de agujeros en él (pi).
Al aplicar un campo eléctrico a tal semiconductor intrínseco…los pares electrón-agujero pueden ser hechos a la deriva bajo su influencia. En este caso, los electrones se mueven en la dirección opuesta a la del campo aplicado mientras que los agujeros se mueven en la dirección del campo eléctrico como se muestra en la Figura 3b. Esto significa que la dirección en la que se mueven los electrones y los agujeros son mutuamente opuestos. Esto se debe a que, como un electrón de una átomo se mueve hacia la izquierda dejando un agujero en su lugar, el electrón del átomo vecino ocupa su lugar recombinándose con ese agujero. Sin embargo, al hacerlo, habría dejado un agujero más en su lugar. Esto puede verse como el movimiento de los agujeros (hacia la derecha en este caso) en el material semiconductor. Estos dos movimientos, aunque opuestos en dirección, dan como resultado el flujo total de actual a través del semiconductor.
Matemáticamente las densidades de los portadores de carga en semiconductores intrínsecos están dadas por
Aquí,
Nc es la densidad efectiva de los estados en la banda de conducción.
Nv es la densidad efectiva de los estados en la banda de valencia.
es la constante de Boltzmann.
T es la temperatura.
EF es la energía del Fermi.
Ev indica el nivel de la banda de valencia.
Ec indica el nivel de la banda de conducción.
es la constante de Planck.
mh es la masa efectiva de un agujero.
me es la masa efectiva de un electrón.
