Un semiconductor extrínseco es aquel que ha sido dopado ; durante la fabricación del cristal semiconductor , se ha incorporado químicamente un oligoelemento o sustancia química llamada agente dopante al cristal, con el fin de otorgarle propiedades eléctricas diferentes a las del cristal semiconductor puro, que se denomina semiconductor intrínseco . En un semiconductor extrínseco, son estos átomos dopantes extraños en la red cristalina los que proporcionan principalmente los portadores de carga que transportan la corriente eléctrica a través del cristal. Los agentes dopantes utilizados son de dos tipos, lo que da como resultado dos tipos de semiconductores extrínsecos. Un dopante donador de electrones es un átomo que, cuando se incorpora al cristal, libera un electrón de conducción móvil en la red cristalina. Un semiconductor extrínseco que ha sido dopado con átomos donantes de electrones se denomina semiconductor de tipo n , porque la mayoría de los portadores de carga en el cristal son electrones negativos. Un dopante aceptor de electrones es un átomo que acepta un electrón de la red, creando una vacante donde un electrón debería llamarse un hueco que puede moverse a través del cristal como una partícula con carga positiva. Un semiconductor extrínseco que ha sido dopado con átomos aceptores de electrones se denomina semiconductor de tipo p , porque la mayoría de los portadores de carga en el cristal son huecos positivos.
El dopaje es la clave para la gama extraordinariamente amplia de comportamiento eléctrico que pueden exhibir los semiconductores, y los semiconductores extrínsecos se utilizan para fabricar dispositivos electrónicos semiconductores como diodos , transistores , circuitos integrados , láseres semiconductores , LED y células fotovoltaicas . Los procesos sofisticados de fabricación de semiconductores como la fotolitografía pueden implantar diferentes elementos dopantes en diferentes regiones de la misma oblea de cristal semiconductor, creando dispositivos semiconductores en la superficie de la oblea. Por ejemplo, un tipo común de transistor, el transistor bipolar npn , consiste en un cristal semiconductor extrínseco con dos regiones de semiconductor de tipo n, separadas por una región de semiconductor de tipo p, con contactos metálicos unidos a cada parte.
Una sustancia sólida puede conducir corriente eléctrica sólo si contiene partículas cargadas, electrones , que son libres de moverse y no están unidos a átomos. En un conductor metálico , son los átomos metálicos los que proporcionan los electrones; normalmente, cada átomo metálico libera uno de sus electrones orbitales externos para convertirse en un electrón de conducción que puede moverse por todo el cristal y transportar corriente eléctrica. Por lo tanto, el número de electrones de conducción en un metal es igual al número de átomos, un número muy grande, lo que hace que los metales sean buenos conductores.
A diferencia de los metales, los átomos que forman el cristal semiconductor en masa no proporcionan los electrones responsables de la conducción. En los semiconductores, la conducción eléctrica se debe a los portadores de carga móviles , electrones o huecos , que son proporcionados por impurezas o átomos dopantes en el cristal. En un semiconductor extrínseco, la concentración de átomos dopantes en el cristal determina en gran medida la densidad de portadores de carga, que determina su conductividad eléctrica , así como muchas otras propiedades eléctricas. Esta es la clave de la versatilidad de los semiconductores; su conductividad se puede manipular en muchos órdenes de magnitud mediante dopaje.
El dopaje de semiconductores es el proceso que transforma un semiconductor intrínseco en un semiconductor extrínseco. Durante el dopaje, se introducen átomos de impurezas en un semiconductor intrínseco. Los átomos de impurezas son átomos de un elemento diferente al de los átomos del semiconductor intrínseco. Los átomos de impurezas actúan como donantes o aceptores del semiconductor intrínseco, modificando las concentraciones de electrones y huecos del semiconductor. Los átomos de impurezas se clasifican como átomos donantes o aceptores según el efecto que tengan sobre el semiconductor intrínseco.
Los átomos de impurezas donantes tienen más electrones de valencia que los átomos que reemplazan en la red intrínseca del semiconductor. Las impurezas donantes "donan" sus electrones de valencia adicionales a la banda de conducción de un semiconductor, lo que proporciona electrones en exceso al semiconductor intrínseco. Los electrones en exceso aumentan la concentración de portadores de electrones (n 0 ) del semiconductor, lo que lo convierte en un semiconductor de tipo n.
Los átomos de impurezas aceptoras tienen menos electrones de valencia que los átomos que reemplazan en la red intrínseca del semiconductor. "Aceptan" electrones de la banda de valencia del semiconductor. Esto proporciona un exceso de huecos al semiconductor intrínseco. El exceso de huecos aumenta la concentración de portadores de huecos (p 0 ) del semiconductor, creando un semiconductor de tipo p.
Los semiconductores y los átomos dopantes se definen por la columna de la tabla periódica en la que se encuentran. La definición de la columna del semiconductor determina cuántos electrones de valencia tienen sus átomos y si los átomos dopantes actúan como donantes o aceptores del semiconductor.
Los semiconductores del grupo IV utilizan átomos del grupo V como donadores y átomos del grupo III como aceptores.
Los semiconductores del grupo III-V , los semiconductores compuestos , utilizan átomos del grupo VI como donantes y átomos del grupo II como aceptores. Los semiconductores del grupo III-V también pueden utilizar átomos del grupo IV como donantes o aceptores. Cuando un átomo del grupo IV reemplaza al elemento del grupo III en la red del semiconductor, el átomo del grupo IV actúa como donante. Por el contrario, cuando un átomo del grupo IV reemplaza al elemento del grupo V, el átomo del grupo IV actúa como aceptor. Los átomos del grupo IV pueden actuar como donantes y aceptores; por lo tanto, se conocen como impurezas anfóteras .
Los semiconductores de tipo n se crean dopando un semiconductor intrínseco con un elemento donador de electrones durante su fabricación. El término tipo n proviene de la carga negativa del electrón. En los semiconductores de tipo n , los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios . Un dopante común para el silicio de tipo n es el fósforo o el arsénico . En un semiconductor de tipo n , el nivel de Fermi es mayor que el del semiconductor intrínseco y se encuentra más cerca de la banda de conducción que de la banda de valencia .
Ejemplos: fósforo , arsénico , antimonio , etc.
Los semiconductores de tipo P se crean dopando un semiconductor intrínseco con un elemento aceptor de electrones durante la fabricación. El término tipo p se refiere a la carga positiva de un hueco. A diferencia de los semiconductores de tipo n , los semiconductores de tipo p tienen una mayor concentración de huecos que de electrones. En los semiconductores de tipo p , los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones son los portadores minoritarios. Un dopante de tipo p común para el silicio es el boro o el galio . Para los semiconductores de tipo p , el nivel de Fermi está por debajo del semiconductor intrínseco y se encuentra más cerca de la banda de valencia que de la banda de conducción.
Ejemplos: boro , aluminio , galio , etc.
Los semiconductores extrínsecos son componentes de muchos dispositivos eléctricos comunes. Un diodo semiconductor (dispositivos que permiten el paso de corriente en una sola dirección) consta de semiconductores de tipo p y de tipo n colocados en unión entre sí. Actualmente, la mayoría de los diodos semiconductores utilizan silicio dopado o germanio.
Los transistores (dispositivos que permiten la conmutación de corriente) también utilizan semiconductores extrínsecos. Los transistores de unión bipolar (BJT), que amplifican la corriente, son un tipo de transistor. Los BJT más comunes son los de tipo NPN y PNP. Los transistores NPN tienen dos capas de semiconductores de tipo n intercaladas con un semiconductor de tipo p. Los transistores PNP tienen dos capas de semiconductores de tipo p intercaladas con un semiconductor de tipo n.
Los transistores de efecto de campo (FET) son otro tipo de transistor que amplifica la corriente mediante semiconductores extrínsecos. A diferencia de los BJT, se denominan unipolares porque implican una operación de tipo portador único, ya sea de canal N o de canal P. Los FET se dividen en dos familias: los FET de compuerta de unión (JFET), que son semiconductores de tres terminales, y los FET de compuerta aislada ( IGFET ), que son semiconductores de cuatro terminales.
Otros dispositivos que implementan el semiconductor extrínseco: