El silicio como semiconductor extrínseco 𝙣 y 𝙥

El silicio es un elemento químico que tiene propiedades semiconductoras. Se dice que es un semiconductor intrínseco porque lo es por sí mismo. Pero sus propiedades semiconductoras se pueden modificar dopándolo. En este contexto, dopar un semiconductor significa agregarle pequeñas cantidades de impurezas, es decir, de otros elementos químicos. Así se obtiene un semiconductor extrínseco. Vamos a explicarlo ayudándonos de la imagen que aparece sobre estas líneas, en la que se representan dos tipos de dopado, conducentes a los denominados semiconductores extrínsecos tipo n y tipo p.

El silicio tiene cuatro electrones de valencia. En su estructura cristalina, cada átomo de Si se une tetraédricamente a otros cuatro (como el C en el diamante) valiéndose de esos electrones de valencia. Por lo tanto, todos los átomos de Si se rodean de 8 electrones, cumpliendo así el modelo del octeto de Lewis, lo que confiere estabilidad a la estructura. En la figura se han dibujado 5 átomos de Si que constituirían un pequeño fragmento de un trozo de material de silicio. La estructura electrónica de todos los átomos de silicio en dicho trozo de material sería como la del átomo dibujado en el centro.

Si en la red cristalina se sustituyen algunos átomos de Si por átomos de P, como el P tiene 5 electrones de valencia, uno de ellos queda sin compartir. Y si en la red cristalina se sustituyen algunos átomos de Si por B, como este elemento tiene 3 de electrones de valencia, solo puede formar tres enlaces covalentes con átomos de Si vecinos, quedando un “hueco” donde no hay electrones compartidos. En este sentido, el hueco actúa como portador de carga positiva. Como el silicio es semiconductor, cuando está dopado con P se dice que es un semiconductor tipo n, y cuando está dopado con B, tipo p. El dopaje se hace con cantidades muy pequeñas del dopante, del orden de partes por millón.

El electrón que le sobra al P y el hueco del B juegan papeles fundamentales en el funcionamiento del semiconductor. Por ejemplo, en una célula fotovoltaica el electrón adicional del P, como no forma parte del enlace covalente, está unido débilmente y la propia energía térmica puede liberarlo y permitirle que circule libremente por el sólido. Por lo tanto, se trata de una carga negativa móvil. Por su lado, el hueco existente junto al B puede ser ocupado por algún electrón vecino (gracias también a la energía térmica), lo que implica que se cree el hueco en otra posición. Es como si el hueco fuese una carga positiva móvil.

Lo mismo que se ha explicado para el P sucede si el Si se dopa con As o con Sb, ya que estos elementos tienen el mismo número de electrones de valencia que el P. Y por esta misma razón, lo explicado para el B vale también, por ejemplo, para el Ga.