Semiconductores-Ley de Masas

El carbono genera enlaces muy estables al tener 4 electrones en su capa más externa. Sin el carbono no existiría la vida en la Tierra tal como la conocemos.
El silicio es otro elemento que también genera enlaces muy estables, y es un elemento muy presente en la Tierra, que forma estructuras cristalinas, y, que además de conducir bastante bien la electricidad, su conductividad puede ser controlada.
Al controlar el número de portadores, se controla el número de electrones que se pueden mover.
En 1 cm3 hay aproximadamente en el orden de 1022 electrones.
Los átomos del silicio forman enlaces covalentes con otros átomos de silicio de forma que no queda ningún electrón libre.
Si se rompe la figura cristalina se pueden observar que los electrones de la zona de ruptura (en la superficie) están en movimiento.
Si colocáramos al material a temperatura 0 Kelvin (0 absoluto) los átomos estarían quietos, y a medida que vamos aumentando la temperatura los electrones se van colisionando unos con otros de manera aleatoria, de modo que surgirían más portadores afectados por la temperatura.
Estructura Silicio a 0ºKelvin
En la imagen podemos ver como sería la estructura del Silicio a 0º Kelvin aproximadamente visto en 2D.
Los + son los protones y los · son los electrones.





Cuando se va aumentando la temperatura, se llegará hasta una temperatura T, en la cual, los electrones van a saltar, rompiendo el enlace. Al producirse esto el electrón va a absorber la energía térmica y la va a transformar en cinética.
A mayor temperatura, el cristal de Silicio, es mejor conductor que a menor, pues hay más electrones libres.
Al saltar el electrón, deja en enlace un defecto de carga positiva, que hace que el otro electrón del enlace covalente se mueva hacia esta posición (al hueco) (par electrón hueco), "moviéndose" el hueco, que actúa como una carga positiva.
Es decir, el aumento de la temperatura genera 2 cosas:
  • Una carga negativa (electrón) 
  • Una positiva (hueco)
Es decir, genera pares electrón hueco.
Si aumentamos más la temperatura aparecen más pares electrón hueco (portadores).
**Esto no sucede con los metales, pues estos solo ceden 1 electrón por cada átomo a una "nube de electrones" y sólo hay electrones, no huecos.
Los portadores aumentan de forma exponencial con la temperatura, pero también aumenta el efecto Joule, dando lugar al problema de que el material se queme por este efecto.
Existe una creación y recombinación de pares electrón-hueco. Existirá un momento en el que e creen y se recombinen el mismo número de electrón-hueco. En ese momento se produce un equilibrio.
Resumiendo, a una temperatura T 
G=R

Donde G son los pares que se generan y R los pares que se recombinan.
R va a ser proporcional a la concentración de electrones (n) y a la concentración de huecos (p)
R=r(T) n·p
Donde r(T) es una constante de proporcionalidad en función de la temperatura.
G=R=cte(T) <-Equilibrio
T tiene que ser constante para estar en equilibrio.
cte=r(T) n·p
Ley de masas:   cte(T)=n·p
Donde cte(T) no tiene por que ser igual que la otra cte, equivale a cte(T)/r(T)
En el Silicio puro intrínseco ni=pi=ni(T)<-Concentración de portadores de un semiconductor intrínseco puro.
Luego ni2(T)=cte(T)
Es decir: ni2(T)=n·p     <---Ley de masas para un material semiconductor
Esto es consecuencia directa del equilibrio dinámico.

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