¿Cómo es un semiconductor neutro eléctricamente?

Tomemos el silicio como ejemplo. El silicio tiene cuatro electrones de valencia y átomos de silicio en un cristal celosía forman cuatro enlaces con átomos vecinos.

Los transistores y otros semiconductores están hechos de cristal de silicio con pequeñas cantidades de dopantes agregados. Estos dopantes cambian las propiedades eléctricas debido a la forma en que interactúan con la red cristalina. El fósforo, por ejemplo, tiene 5 electrones de valencia. Todavía es eléctricamente neutro (número de protones = número de electrones) pero como la estructura del cristal de silicio solo requiere 4 enlaces por átomo, hay un electrón 'extra' que no participa realmente en la estructura del cristal. Con un poco de energía extra, ese electrón entrará en la banda de conducción y vagará libremente alrededor de la red cristalina. Esto corresponde a un semiconductor de tipo n.

Hay un proceso similar para los semiconductores de tipo p: el boro, por ejemplo, solo tiene 3 electrones de valencia.

Aquí se puede encontrar una buena respuesta, tomada desde un punto de vista físico.

  

Los términos dopados tipo n y p solo se refieren a los transportistas de carga mayoritaria. Cada portador de carga positiva o negativa pertenece a un dopante cargado negativo o positivo fijo.

     

Los materiales de tipo p y n NO tienen carga positiva y negativa.

     

Un material de tipo n en sí mismo tiene principalmente portadores de carga negativa (electrones) que pueden moverse libremente, pero aún es neutral porque los átomos donadores fijos, que han donado electrones, son positivos.

     

De manera similar, el material de tipo p en sí mismo tiene principalmente portadores de carga positiva (orificios) que pueden moverse con relativa libertad, pero aún es neutral porque los átomos aceptores fijos, que tienen electrones aceptados, son negativos.

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El semiconductor tiene carga libre (electrones y agujeros) y carga inmóvil (electrones de banda inferior, protones nucleares y donantes y receptores ionizados).

Cuando un donante (por ejemplo) está ionizado, crea un electrón libre, pero también crea un átomo donador positivamente ionizado. La carga en el electrón libre y el donante ionizado son iguales y opuestos. Entonces, mientras el electrón no vaya a ninguna parte, la carga neta permanece en cero.

Son no siempre eléctricamente neutros.

Un semiconductor de tipo n tiene un exceso de electrones "libres": electrones que pueden moverse libremente en el semiconductor (muy similar a los electrones en un metal). Estos electrones son 'donados' por impurezas de donantes inmóviles dopadas en el semiconductor.

Si te imaginas a partir de ese estado, entonces el resultado sigue siendo neutral. Sin embargo, dado que los electrones pueden moverse, tienen una tendencia a difundirse lejos de las regiones de alta concentración. Si conecta otro material (por ejemplo, tipo p) al tipo n (formando una unión pn), los electrones se difundirán desde la región de alta concentración a la región de baja concentración. Esto no continuará para siempre (a menos que tenga una fuente de alimentación conectada), ya que al dejar la región de tipo n, dejan atrás una carga +. Esto crea un campo eléctrico de restauración, y en algún momento este campo de restauración equilibrará el proceso de difusión y se obtendrá un equilibrio. Los detalles de esto dependen de los materiales, el dopaje y la temperatura, así como cualquier voltaje externo aplicado entre los 2 materiales que forman la unión p-n.

Dado que (a partir de neutro), los electrones (carga negativa) han dejado la región de tipo n, se volverá neta cargada positivamente y el tipo p cargado negativamente. De manera similar, los orificios ('anti-electrones') del tipo p se difunden al tipo n, y se cargan positivamente.

Se produciría un comportamiento similar si conectara un tipo n fuertemente dopado a un dopado ligeramente (de hecho, se produce cada vez que hay un gradiente de concentración (o temperatura)).

El material en su conjunto no está cargado (solo polarizado), pero si lo conectara a otro conductor (por ejemplo, un cable), la carga se movería entre la nube de electrones libres en el cable al semiconductor, poniendo una red carga negativa en ella. Aunque es pequeño, en principio podría detectarse observando fuerzas electrostáticas. No se puede medir (por ejemplo) conectando un voltímetro al semiconductor y al metal porque las cargas también fluirían hacia los cables del voltímetro, exactamente cancelando y sin dejar un voltaje neto. Si de hecho hubiera una diferencia de temperatura, podría medir un voltaje, esto es el efecto Seebeck (termopar).

Versión simple:

Cuando agregamos fósforo con nopía, en realidad estamos agregando un ion de fósforo positivo , más un electrón móvil.

Cuando p-doping agregando Boron, en realidad estamos agregando un boron ion negativo , así como un "agujero" móvil.