Teoría de los Semiconductores
Los semiconductores, materiales inorgánicos u orgánicos, desempeñan un papel crucial en el control de la conductividad eléctrica. Su capacidad para modificar la conductividad se basa en la estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes. Estos materiales poseen una conductividad eléctrica intermedia entre un metal, como el cobre o el oro, y un aislante, como el vidrio, con un intervalo de energía menor a 4eV (alrededor de 1eV).
En la física del estado sólido, este intervalo de energía, conocido como brecha de banda o gap de energía, es un rango en el cual los estados electrónicos están prohibidos, situado entre la banda de valencia y la banda de conducción. A diferencia de los conductores, los electrones en los semiconductores necesitan adquirir energía (por ejemplo, de la radiación ionizante) para cruzar la brecha de banda y alcanzar la banda de conducción. Las propiedades de los semiconductores están determinadas por esta brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción.
Estructura de Bandas Electrónicas
La teoría de los semiconductores se basa en el comportamiento de electrones y huecos dentro de una estructura reticular cristalina. Esta teoría, conocida como la estructura de bandas electrónicas, describe los niveles de energía que los electrones pueden tener dentro de un sólido, así como los rangos de energía que no pueden tener (denominados brechas de banda o bandas prohibidas).
Los semiconductores cuentan con una banda de valencia, la banda de energía más alta completamente llena de electrones, y una banda de conducción, la siguiente banda de mayor energía que está vacía o parcialmente llena de electrones. La brecha de energía entre la banda de valencia y la de conducción se conoce como brecha de banda. A temperatura cero absoluto, todos los electrones en un semiconductor se encuentran en la banda de valencia y no hay electrones libres en la banda de conducción. Sin embargo, a temperatura ambiente o más alta, algunos electrones en la banda de valencia pueden ser excitados por energía térmica o por una fuente de energía externa, como la luz o un campo eléctrico, y saltar a la banda de conducción, dejando atrás un hueco en la banda de valencia.
El movimiento de estos electrones libres y huecos en la estructura reticular cristalina del semiconductor puede describirse mediante las leyes de la mecánica cuántica. El comportamiento de estos portadores de carga está influenciado por factores como la estructura cristalina, la concentración y tipo de dopaje, la temperatura y la presencia de impurezas o defectos en la estructura reticular.
Semiconductores Intrínsecos y Extrínsecos
Los semiconductores intrínsecos presentan un número perfectamente equilibrado de electrones libres y huecos, y su conductividad está determinada por la concentración intrínseca de electrones libres y huecos, la cual aumenta exponencialmente con la temperatura. Por otro lado, los semiconductores extrínsecos, dopados con impurezas, poseen una concentración mucho mayor de electrones libres o huecos, lo que aumenta drásticamente su conductividad y los hace útiles para dispositivos electrónicos.
