Dopaje (semiconductores)

En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar. Semiconductores con dopajes ligeros y moderados se los conoce como extrínsecos. Un semiconductor altamente dopado que actúa más como un conductor que como un semiconductor es llamado degenerado.

El número de átomos dopantes necesitados para crear una diferencia en las capacidades conductoras de un semiconductor es muy pequeña. Cuando se agregan un pequeño número de átomos dopantes (en el orden de 1 cada 100.000.000 átomos) entonces se dice que el dopaje es bajo o ligero. Cuando se agregan muchos más átomos (en el orden de 1 cada 10.000) entonces se dice que el dopaje es alto o pesado. Este tipo de dopaje pesado se representa con la nomenclatura N+ para material tipo N o P+ para material tipo P.

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Elementos Dopantes

Semiconductores de Grupo IV

Para los semiconductores de Grupo IV como Silicio, Germanio y Carburo de silicio, los dopantes más comunes son elementos del Grupo III o del Grupo V. Boro, Arsénico, Fósforo y ocasionalmente Galio son utilizados para dopar al Silicio.

Tipos de Materiales Dopados

Tipo N

Se llama material tipo N al que posee átomos de impurezas que permiten la aparición de electrones sin huecos asociados a los mismos. Los átomos de este tipo se llaman donantes ya que "donan" o entregan electrones y serán de valencia cinco como el Arsénico y el Fósforo. De esta forma no se ha desbalanceado la neutralidad eléctrica, ya que el átomo introducido al semiconductor es neutro; pero, a diferencia de los átomos que conforman la estructura original, posee un electrón no ligado, por lo tanto la energía necesaria para separarlo del átomo será menor que la necesitada para romper una ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor original). Finalmente tendremos más electrones que huecos por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los últimos los minoritarios. La cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.

Tipo P

Se llama así al material que tiene átomos de impurezas que permiten la formación de huecos sin que aparezcan, como ocurre al romperse una ligadura, electrones asociados a los mismos. Los átomos de este tipo se llaman aceptores, ya que "aceptan" o toman un electrón, y serán de valencia tres como el Aluminio, el Indio o el Galio. Nuevamente, el átomo introducido es neutro, por lo que no modificará la neutralidad eléctrica del cristal; pero, debido a que solo tiene tres electrones en su última capa de valencia, aparecerá una ligadura rota que tendrá afinidad por tomar electrones de los átomos próximos; generando finalmente más huecos que electrones por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los segundos los minoritarios. Al igual que en el material tipo N, la cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.

Dopaje en conductores orgánicos

Polímeros conductores pueden ser dopados al agregar químicos reactivos para oxidar (o algunas veces reducir) el sistema para ceder electrones a las órbitas conductoras dentro de un sistema potencialmente conductor. Existen dos formas principales para dopar un polímero conductor, ambas a través de un proceso redox (o de oxidación - reducción). En el primer método, dopado químico, se expone un polímero como la Melanina (típicamente una película delgada), a un oxidante (típicamente Yodo o Bromo) o a un agente reductor (bastante menos común, pero típicamente se utilizan metales alcalinos). El segundo método es el dopaje electroquímico, en dónde un electrodo de trabajo revestido de polímero es suspendido en una solución electrolítica en dónde el polímero es insoluble junto al electrodo opuesto y de referencia separados. Se crea una diferencia de potencial eléctrico entre los electrodos, la cual causa que una carga (y su correspondiente ión del electrolito) entren en el polímero en la forma de electrones agregados (dopaje tipo N) o salgan del polímero (dopaje tipo P), según la polarización utilizada.

La razón por la cual el dopaje tipo N es mucho menos común es debido a que la atmósfera de la tierra, la cual es rica en oxígeno crea un ambiente oxidante. Un polímero tipo N rico en electrones reaccionaría inmediatamente con el oxígeno ambiental y se des-doparía (o re-oxidaría) nuevamente al polímero a su estado natural.

Historia

El dopaje fue desarrollado originalmente por John Robert Woodyard mientras trabajaba para la Sperry Gyroscope Company durante la Segunda Guerra Mundial.^[1] La demanda de su trabajo sobre el radar durante la guerra no le permitió a Woodyard la oportunidad de desarrollar más profundamente la investigación sobre dopaje, pero durante la posguerra, ésta generó una larga serie de demandas iniciadas por la companía Sperry Rand cuando se conoció su importante aplicación en la fabricación de transistores.^[2]

Referencias

Véase también

• Transistor
• Transistor de unión bipolar
• Unión PN
• Diodo