10.2 : Conceptos básicos de semiconductores

Existe una variación en la conductividad eléctrica de los materiales (metales, semiconductores y aislantes) que se muestran con la ayuda de los diagramas de bandas de energía.

Los metales como el cobre (Cu), el zinc (Zn) o el plomo (Pb) tienen baja resistividad y presentan bandas de conducción que no están completamente ocupadas o se superponen con la banda de valencia, lo que hace que la banda prohibida sea inexistente. Esto permite que los electrones en los niveles de energía más altos de la banda de valencia pasen fácilmente a la banda de conducción al obtener una energía cinética mínima de un campo eléctrico aplicado. Como resultado, con muchos estados disponibles cercanos a los llenos, los metales facilitan el flujo fácil de la corriente eléctrica.

Los semiconductores tienen una banda de valencia llena y una banda de conducción vacía separadas por una pequeña banda prohibida, del orden de 1 eV, lo que permite que algunos electrones de valencia se exciten térmicamente a la banda de conducción a temperatura ambiente. Esto da como resultado un número moderado de portadores de carga, lo que hace que los semiconductores sean más conductores que los aislantes pero menos que los metales. La energía de la banda prohibida varía para los semiconductores, como 1,12 eV para el silicio (Si) y 1,42 eV para el arseniuro de galio (GaAs).

En aislantes como el SiO_2, la banda de valencia está llena de electrones y la banda de conducción está vacía. Los aislantes tienen una banda prohibida grande, lo que dificulta que los electrones de valencia sean excitados por la banda de conducción a temperatura ambiente. Esto se debe a que los electrones de valencia de los aisladores están involucrados en fuertes enlaces covalentes y requieren una cantidad significativa de energía para romperse. Una gran brecha de energía separa las bandas de valencia llenas y de conducción vacías, y la energía térmica a temperatura ambiente es insuficiente para excitar los electrones a través de esta brecha. Como resultado, hay muy pocos electrones disponibles para la conducción y el material no puede conducir la corriente eléctrica de manera efectiva.