Doping Semiconductors

Los semiconductores no orgánicos se utilizan en forma cristalina. La definición de un cristal no es que se vea como una gema, aunque ese es un resultado común, es que los átomos constituyentes están dispuestos en un patrón regular conocido como una red. Un cristal de silicio forma una estructura de celosía de diamante cúbico como esta:

Si observas detenidamente (y entiendes que esto es solo una celda; se replica en todos los lados), notarás que cada átomo tiene 4 enlaces. Cada enlace involucra un electrón de cada átomo. En el silicio normal, algunos electrones se disocian de sus átomos principales y dejan agujeros (esto es \ $ n_i \ $, la concentración de portadora intrísica). Sin embargo, el patrón normal es que un enlace para unir más o menos permanentemente un electrón y un agujero.

La razón por la que los átomos trivalentes y pentavalentes son aceptadores y donantes es que esta estructura de enlace se mantiene cuando las impurezas reemplazan a los átomos en esta red. Si agrega un átomo trivalente a esta estructura, aún necesita cuatro enlaces, pero solo tiene tres electrones de valencia para trabajar. Este es un aceptador. Cada átomo aceptor trivalente (en una unidad de volumen) aumenta \ $ N_A \ $ en uno. El silicio no puede ser donante porque solo tiene cuatro electrones de valencia; si dona un electrón para rellenar este enlace, entonces se deja un agujero en el átomo de silicio. Si agrega un átomo pentavalente a la estructura, cuatro de sus electrones formarán enlaces, pero el quinto no puede formar un enlace. Se convierte en un donante y cada átomo pentavalente de donante aumenta \ $ N_D \ $ en uno.

Si añadieras una impureza con dos o seis electrones de valencia, sucedería lo mismo, pero se agregarían dos electrones o dos agujeros por átomo. Sin embargo, es más probable que esto cause una ruptura en la estructura de cristal y no es realmente muy común en la industria por lo que sé.

  

Hasta ahora todo bien, pero también me han enseñado que los átomos trivalentes son aceptadores y los átomos pentavalentes son donantes.

Creo que la clave aquí es que cada núcleo tiene un conjunto de "estados" disponibles para los electrones disponibles a su alrededor, ya sea que el átomo proporcione electrones para llenar esos estados o no.

Por lo tanto, un átomo trivalente (como el bismuto, IIRC) proporciona la misma cantidad de estados posibles para que tomen los electrones, pero no proporciona tantos electrones para llenarlos. Eso es lo que hace que el átomo de la columna III sea un sitio de aceptación.

De forma similar, un átomo pentavalente proporciona aproximadamente el mismo conjunto de estados, pero también proporciona electrones adicionales en comparación con un átomo de silicio. Dado que los niveles de energía de estos electrones adicionales están relativamente cerca de los niveles de energía de la banda de conducción del cristal de silicio, es relativamente fácil que estos electrones "adicionales" se liberen de su núcleo y se conviertan en electrones conductores en el cristal. Y por eso llamamos a la columna V impureza un sitio "donante".