Semiconductores – bandas de energía, dopaje y unión p–n
FísicaElectricidad y circuitosEdades 17–18
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Compara los diagramas de bandas de energía de un conductor (cobre), un semiconductor (silicio, banda prohibida de 1,12 eV) y un aislante (diamante, 5,5 eV), y cambia la temperatura para ver cómo el número de electrones de conducción y la conductividad del silicio aumentan muy deprisa mientras los del cobre bajan. La pantalla Dopaje añade fósforo (donador, tipo n) o boro (aceptor, tipo p) a una red de silicio: cambia el nivel de dopaje y la temperatura y lee la densidad de electrones n, la de huecos p, el producto n·p = nᵢ², el nivel de Fermi y la conductividad. La pantalla Unión p–n muestra cómo la difusión forma la zona de agotamiento y una barrera de unos 0,7 V, que se estrecha en polarización directa y se ensancha en inversa, junto a la curva I–V del diodo.
Lección: Teoría de bandas de los sólidos: conductores, semiconductores y aislantes; semiconductores tipo n y tipo p y la unión p–n
Qué muestra
En un sólido, los electrones solo pueden tener energías dentro de bandas permitidas. En un metal las bandas se solapan, así que siempre hay muchos electrones libres. En el silicio, una banda prohibida de 1,12 eV separa la banda de valencia llena de la banda de conducción vacía; el calor hace saltar algunos electrones y deja huecos, por eso la conductividad sube muy deprisa con la temperatura. El fósforo aporta electrones (tipo n), el boro deja huecos (tipo p), y n·p sigue siendo nᵢ². Al unir p y n se forma una zona de agotamiento con una barrera de unos 0,7 V. El modelo supone todos los dopantes ionizados.
Cómo usarla
En Bandas de energía, mueve Temperatura T y compara el cobre, el silicio y el diamante y la gráfica de conductividad. En Dopaje, elige el Dopante y el Nivel de dopaje y observa la red, el diagrama de bandas y la gráfica de n y p; pulsa Registrar para añadir una fila. En Unión p–n, pulsa Unir p y n y luego mueve Polarización V entre inversa y directa; lee la anchura de la zona de agotamiento, la barrera y la corriente.
Parámetros que puedes cambiar
- Pantalla Bandas de energía, Dopaje del silicio, Unión p–n
- Temperatura T 200–600 K
- Dopante Ninguno (puro), Fósforo (tipo n), Boro (tipo p)
- Nivel de dopaje (log₁₀ de átomos por cm³) 13–18
- Tensión de polarización V (positiva: directa) -5–0,7 V
Preguntas para explorar
- ¿Por qué la resistividad del silicio baja mucho al calentarlo, mientras que la del cobre sube?
- ¿Por qué al añadir más fósforo al silicio disminuye el número de huecos?
- ¿Por qué la polarización inversa ensancha la zona de agotamiento y casi no deja pasar corriente?
