10.1 : Conceptos básicos de semiconductores

Los átomos aislados tienen niveles de energía discretos que están bien descritos por el modelo de Bohr. Y cuantifica la energía de un electrón en un átomo de hidrógeno como E_n. Los números cuánticos 'n' más altos producen niveles de energía de electrones menos negativos y más cercanos.

Formación de banda:

Cuando los átomos se acercan, como en un sólido, estos niveles de energía discretos comienzan a dividirse debido a la superposición de los orbitales de los electrones de los átomos adyacentes. Esta división se produce debido al principio de exclusión de Pauli, que establece que dos electrones no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico. A medida que se combinan más átomos, aumenta el número de niveles de energía discretos y la división se vuelve tan fina que forma una banda de energía continua. En un punto determinado, conocido como distancia interatómica de equilibrio, estas bandas se convierten en la banda de valencia, llena de electrones, y en la banda de conducción, que está vacía a temperatura del cero absoluto.

Bandas de energía en semiconductores:

La estructura de bandas de energía es más compleja en semiconductores como el silicio, que tiene 14 electrones. Los 10 electrones internos ocupan los niveles de energía más profundos y no contribuyen al enlace. Los cuatro electrones de valencia restantes, que se encuentran en las subcapas 3s y 3p, determinan las propiedades químicas y eléctricas del material. A medida que los átomos de silicio forman una red cristalina, las subcapas 3s y 3p se superponen y forman bandas. En la distancia de equilibrio en el cristal, estas bandas contienen 4N estados para la banda de valencia y 4N estados para la banda de conducción, donde N es el número de átomos de silicio.

El tamaño de la banda prohibida es crucial porque determina la facilidad con la que los electrones pueden excitarse en la banda de conducción. Esta banda prohibida es lo suficientemente pequeña para los semiconductores como para que la energía térmica o la luz puedan excitar electrones a través de la brecha, lo que resulta en una conducción eléctrica.