Impurezas dopantes

Experientia docet Materia sólida Artículo 10 de 12

Es equivalente decir que las burbujas de aire suben como que el agua baja. Foto: Martin Str / Pixabay

El uso más importante de los semiconductores, como el silicio o el germanio, incluido su uso como transistores, surge de su comportamiento cuando, después de estar suficientemente purificados de átomos distintos del elemento básico (esto es, silicio o germanio), se introducen cantidades muy pequeñas de impurezas muy concretas.

Si bien los métodos para purificar primero y agregar pequeñas cantidades de impurezas después al germanio estuvieron disponibles tras la Segunda Guerra Mundial, la investigación sobre la purificación y la introducción controlada de impurezas para el silicio no tuvo éxito hasta finales de la década de 1950. Como el silicio es más abundante que el germanio y otros semiconductores, pronto reemplazó al germanio como el semiconductor preferido.

El germanio (elemento 32) y el silicio (elemento 14) tienen ambos cuatro electrones de valencia, que llenan la banda de valencia cuando estos metales forman un cristal. El elemento 33, el arsénico, tiene cinco electrones de valencia, al igual que el elemento 15, el fósforo. Si se agrega una cantidad muy pequeña de arsénico al germanio a medida que se forma el cristal de germanio, los átomos de arsénico sustituirán a varios átomos de germanio en la red. Lo mismo sucede cuando se agrega una pequeña cantidad de fósforo al silicio. Las pequeñas cantidades se controlan cuidadosamente en el proceso de producción y son solo alrededor del 0,0001% del total de átomos.

Fuente: Wikimedia Commons

Este proceso se llama dopaje, y las impurezas se llaman dopantes. Cuando el dopante correspondiente se introduce en la red de germanio o silicio, cuatro de sus electrones de valencia se unen a los otros átomos en la red, dejando el quinto electrón ”suelto”. Estos electrones de valencia extra de los dopantes están tan ligeramente unidos a sus átomos que con muy poca energía de vibración saltan a la banda de conducción del semiconductor. Tanto es así que, a temperatura ambiente, todos se encuentran en la banda de conducción, lo que significa que el semiconductor dopado ahora actúa como un conductor. Dado que los electrones, que tienen carga negativa, donados por las impurezas permiten que el material conduzca, estos tipos de semiconductores se denominan semiconductores de tipo n.

Una situación similar ocurre cuando los semiconductores se dopan con impurezas de elementos que están un peldaño más abajo en la tabla periódica, es decir, cuando el silicio (14) se dopa con el elemento 13, aluminio, y el germanio (32) se dopa con el elemento 31, galio. Los dopantes tienen solo tres electrones de valencia. Eso hace que, cuando están incorporados a la red de silicio o germanio, generen un espacio en la banda de valencia, un espacio que puede aceptar un electrón de un átomo de silicio o germanio vecino. Este espacio es lo que se conoce como hueco [1]. El hueco se comporta de manera similar a una burbuja de aire en un vaso de agua con gas [2].

Fuente: Wikimedia Commons

Cuando se activa un campo eléctrico externo, los electrones de los átomos vecinos, que normalmente no tienen lugar al que moverse, ahora pueden cambiar de átomo para llenar el hueco. Pero esto deja un hueco en el átomo que han dejado, que puede ser llenado por su vecino, y así sucesivamente. Del mismo modo, el movimiento ascendente de la burbuja de aire en un vaso de agua con gas en realidad implica el flujo descendente del agua hacia el espacio ocupado por la burbuja, que es la que a simple vista parece la única en moverse. En el semiconductor, si el campo mueve los electrones a la izquierda, por ejemplo, el hueco parecerá migrar a la derecha. Al moverse hacia la derecha, se comporta como lo haría una carga positiva, aunque solo sea un espacio.

Es decir, debido al movimiento de carga negativa hacia la izquierda, el efecto físico es el mismo que si hubiese cargas positivas fluyendo hacia la derecha (en nuestro ejemplo) en la banda de valencia, por debajo de la banda de conducción, donde anteriormente no podían fluir cargas. Una vez más, la introducción muy cuidadosa de pequeñas cantidades de impurezas ha convertido el semiconductor en un conductor. Como las cargas conductoras parecen ser positivas, estos semiconductores se conocen como semiconductores de tipo p.

Estos semiconductores dopados podrían usarse como cualquier otro conductor, pero no merece la pena, ya que podemos producir conductores como los cables de cobre de manera mucho más fácil y económica. En cambio, se reconoció durante y después de la Segunda Guerra Mundial que las aplicaciones realmente útiles de este tipo de semiconductores aparecen cuando se colocan físicamente uno al lado del otro dentro de dispositivos electrónicos.

Notas:

[1] Podría llamarse hueco, boquete, bujero u oquedad, pero no, se llama hueco de electrón.

[2] O de refresco, o de cerveza, o de champán. Captas la idea. Elegimos agua porque las alternativas no son buenas para la salud en comparación.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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