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Mis palabras
A2 · Fundamentos de semiconductores

Dopaje: una pizca de impureza fija el portador mayoritario

El silicio puro apenas conduce. Mezclando solo una pizca de átomos de impureza, elige tú mismo si serán mayoría los electrones libres o los huecos.

Elige la impureza y fija el portador mayoritario

Abajo hay una red de silicio; cada átomo forma un enlace con dos electrones por vecino. Cambia un átomo central por otro y observa qué portador libre se suelta. ¿Cuál hace mayoría a los electrones libres?

Toca para cambiar el átomo central.
Relación del portador mayoritario
n0 = p0 = ni
Cada electrón está atado a un enlace. Solo quedan unos pares rotos por el calor, así que electrones y huecos son igualmente escasos.
En equilibrio

El silicio puro es casi un aislante

Un átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia y completa sus enlaces emparejando dos con cada uno de cuatro vecinos. Así, a temperatura ambiente casi ningún electrón está libre. Hacer corriente exige romper un enlace, que es el mismo acto de cruzar la banda prohibida de A1.

Un átomo pentavalente = un electrón libre

Añade un átomo con cinco electrones de valencia, como fósforo o arsénico: cuatro entran en enlaces y uno sobra. Ese sobrante apenas está ligado y se libera con el menor calor. El átomo de impureza que lo cedió se vuelve un ion positivo fijo, y aun así el cristal sigue neutro. Esto es tipo n.

Un átomo trivalente = un hueco, y el producto se mantiene

Añade un átomo con tres electrones de valencia, como boro, y queda un sitio de enlace vacío. Un electrón de un enlace vecino lo llena y la vacante salta de lado, igual que una carga positiva en movimiento. Esto es tipo p. Sube un portador y el otro baja, así el producto de ambas concentraciones, n p = ni², queda fijo a una temperatura dada sin importar el dopaje.

Observan0 p0 = ni²
El dopaje no altera el producto de las dos densidades de portadores.
Eligen0 ≈ ? (n)
En tipo n, la mayoría la fija la densidad de donantes.
Completap0 ≈ ni² / ?
La minoría es el producto dividido por la mayoría.
Por tu cuentap0 ≈ ? (p)
En tipo p, la densidad de aceptores fija la mayoría de huecos.

De vuelta a la primera pantalla

Lo que hizo mayoría a los electrones libres fue el donante pentavalente, es decir, el tipo n. Como una imagen en el espejo, el aceptor trivalente hace mayoría a los huecos y da el tipo p, mientras el silicio puro mantiene a ambos igualmente escasos en equilibrio. En ambos casos solo añadiste una pizca de impureza, y aun así el portador mayoritario se invierte por completo. Y en todo momento los iones fijos devuelven con exactitud la carga que se fue, así el cristal queda neutro de extremo a extremo. El mando que fija la mayoría es un solo número: la valencia de la impureza.

El dopaje mezcla una pizca de impureza de distinta valencia en un semiconductor puro. Un donante pentavalente hace mayoría a los electrones libres, dando tipo n (n0 ≈ ND); un aceptor trivalente hace mayoría a los huecos, dando tipo p (p0 ≈ NA). A temperatura fija, la ley de acción de masas n0 p0 = ni² mantiene constante el producto de ambas densidades. El cristal permanece eléctricamente neutro.

Lo que sigue

Ahora tienes dos tipos de portador. La siguiente unidad, A3, muestra las dos formas en que se mueven: deriva, empujada por un campo eléctrico, y difusión, esparcida por una diferencia de concentración. Donde ambas se encuentran en la frontera entre tipo n y tipo p es justamente la zona de carga espacial de la unión pn en A4.