Dopaje: una pizca de impureza fija el portador mayoritario
La impureza decide el portador mayoritario
La imagen es una red de silicio en la que cada átomo se enlaza con sus vecinos compartiendo electrones de dos en dos. Cambia el átomo central por otro elemento y los portadores que libera se desplazan entre las filas de la red: los puntos dorados son electrones libres y los círculos azules vacíos son huecos. Cambia el átomo central y descubre cuál hace mayoritarios a los electrones libres.
El silicio puro es casi un aislante
Un átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia y completa todos sus enlaces emparejándose con cuatro vecinos, dos electrones por enlace. Por eso a temperatura ambiente casi no hay electrones libres para moverse. Para crear una corriente hay que romper enlaces, y eso es lo mismo que cruzar la brecha prohibida que viste en A1.
Un átomo pentavalente = un electrón libre
Si metes un átomo con cinco electrones de valencia, como el fósforo o el arsénico, cuatro van a los enlaces y sobra uno. Ese electrón sobrante está tan débilmente ligado a su átomo que el calor ambiente basta para liberarlo. El átomo de impureza que lo cedió se convierte en un ion positivo fijo en su sitio, pero junto con el electrón liberado el cristal en conjunto sigue siendo neutro. Esto es el tipo n.
Un átomo trivalente = un hueco, y el producto se mantiene
Si metes un átomo con tres electrones de valencia, como el boro, queda vacío un sitio de enlace. Cuando un electrón de un enlace vecino se pasa a llenarlo, el sitio vacío se desplaza de lado, y parece que se moviera una carga positiva. Esto es el tipo p. Al aumentar un tipo de portador el otro disminuye en la misma proporción, así que el producto de las dos concentraciones, n p = ni², se mantiene constante a una temperatura dada sin importar el dopaje.
De vuelta a la primera pantalla
Lo que hizo mayoritarios a los electrones libres fue el donante de valencia 5, es decir, el tipo n. Como en un espejo, el aceptor de valencia 3 hace mayoritarios a los huecos y da el tipo p, mientras que el silicio puro se queda en equilibrio con pocos electrones y huecos en igual número. En cualquier caso, lo único que se añadió fue una cantidad mínima de impureza, y aun así el portador mayoritario cambió por completo. Con todo, los iones fijos en su sitio compensan exactamente la carga de los portadores que se fueron, de modo que el cristal sigue neutro hasta el final. El mando que elige el portador mayoritario es un solo número: los electrones de valencia de la impureza.
Lo que sigue
Ahora tienes dos tipos de portadores en la mano. En la siguiente unidad, A3, verás las dos formas en que se mueven: la deriva, empujada por un campo eléctrico, y la difusión, que se extiende por una diferencia de concentración. El lugar donde las dos se enfrentan en el límite entre el tipo n y el tipo p es justamente la capa de agotamiento de la unión pn de A4.