Universidad Politcnica Salesiana.

Estructura atmica del silicio y germanio

implementados en los diodos.
Cumbe Cumbe Angel
acumbre@est.ups.edu.ec
Universidad Politcnica Salesiana

ResumenEsta investigacin trata sobre la estructura

atmica del silicio y del germanio analizando el nmero de
electrones en la capa de valencia, y la forma como
interactan los tomos entre s, de esta manera se determina
por qu se consideran a estos elementos como
semiconductores y adems como se aplica en la estructura
del diodo, ya que este conformado por una unin PN, que es
la unin de dos secciones de silicio o germanio con impuras
de tipo N y tipo P.

Palabras ClavesEstructura atmica, silicio, germanio.

Fig. 1: Estructura atmica segn el modelo de Bohr.
I. INTRODUCCION
Los dispositivos electrnicos tales como diodos, transistores B. Numero atmico del silicio y germanio
y circuitos integrados estn hechos con un material
semiconductor; para entender cmo funcionan debe tenerse Todos los elementos estn dispuestos en la tabla peridica de
conocimiento bsico de la estructura de los tomos y la acuerdo con su nmero atmico. El nmero atmico es igual al
interaccin de las partculas atmicas. Estos conceptos adems nmero de protones en el ncleo, el cual es igual al nmero de
ayudan a comprender la unin pn, que se forma cuando se unen electrones en un tomo elctricamente balanceado (neutro), el
numero atmico del silicio es 14 mientras que para el germanio
dos tipos de material semiconductor. La unin pn es
es 32.
fundamental para la operacin de dispositivos tales como el
diodo y ciertos tipos de transistores.

II. OBJETIVOS
A. Objetivos Generales
Comprender la estructura atmica en elementos del Si
y Ge.
B. Objetivos especficos
Analizar los electrones de la capa de valencia.
Fig. 2: Numero atmico segn la tabla peridica.
Estudiar cmo se implementa estos materiales en el
diodo.
C. Electrones de valencia en el silicio y el germanio
Los electrones que describen rbitas alejadas del ncleo
III. MARCO TEORICO tienen ms energa y estn flojamente enlazados al tomo que
A. El tomo aquellos ms cercanos al ncleo. Esto se debe a que la fuerza
Un tomo es la partcula ms pequea de un elemento que de atraccin entre el ncleo cargado positivamente y el electrn
retiene las caractersticas de ste. Cada uno de los 109 cargado negativamente disminuye con la distancia al ncleo. En
elementos conocidos tiene tomos que son diferentes de los de la capa ms externa de un tomo existen electrones con un alto
todos los dems elementos; es decir, cada elemento presenta nivel de energa y estn relativamente enlazados al ncleo. Esta
una estructura atmica nica. Cada tipo de tomo tiene un cierto capa ms externa se conoce como la capa de valencia y los
nmero de electrones y protones que los distinguen de los electrones presentes en esta capa se llaman electrones de
tomos de todos los dems elementos. valencia. Estos electrones de valencia contribuyen a las
 Universidad Politcnica Salesiana. 2

reacciones qumicas y al enlace dentro de la estructura de un conduccin. Esto se ilustra en el diagrama de energa de la
material y determinan sus propiedades elctricas. figura 5(a) y el diagrama de enlaces de la figura 5(b).
Los electrones de valencia del germanio residen en la cuarta
capa, mientras que los del silicio estn en la tercera, ms cerca
al ncleo. Esto significa que los electrones de valencia del
germanio se encuentran a niveles de energa ms altos que
aquellos en el silicio y, por consiguiente, requieren una cantidad
de energa adicional ms pequea para escaparse del tomo.

Fig. 5: (a) Diagrama de energa, (b) Diagrama de enlaces.

Cuando un electrn salta a la banda de conduccin, deja un

espacio vaco en la banda de valencia dentro del cristal. Este
espacio vaco se llama hueco. Por cada electrn elevado a la
banda de conduccin por medio de energa externa queda un
Fig. 3: Electrones de valencia en el silicio y el en el germanio. hueco en la banda de valencia y se crea lo que se conoce como
par electrn-hueco; ocurre una recombinacin cuando un
electrn de banda de conduccin pierde energa y regresa a un
D. Cristales de silicio o germanio y su enlace covalente. hueco en la banda de valencia.
En Un tomo de silicio (Si), con sus cuatro electrones de
valencia, comparte un electrn con cada uno de sus cuatro Resumiendo, un trozo de silicio intrnseco a temperatura
vecinos. Esto crea efectivamente ocho electrones de valencia ambiente tiene, en cualquier instante, varios electrones de
compartidos por cada tomo y produce un estado de estabilidad banda de conduccin (libres) que no estn enlazados a ningn
qumica. Adems, compartir electrones de valencia produce tomo y en esencia andan a la deriva por todo el material.
enlaces covalentes que mantienen a los tomos juntos; cada Tambin existe un nmero igual de huecos en la banda de
electrn de valencia es atrado igualmente por los dos tomos valencia que se crean cuando estos electrones saltan a la banda
adyacentes que lo comparten. La figura 1-9 muestra el enlace de conduccin (vea la figura 6).
covalente de un cristal de silicio intrnseco. Un cristal intrnseco
es uno que no tiene impurezas. El enlace covalente en el
germanio es similar porque tambin tiene cuatro electrones de
valencia.

Fig. 6: Pares electrn-hueco en un cristal de silicio. Continuamente se

generan electrones libres mientras que algunos se recombinan con huecos.

F. Corriente de electrn y hueco

Fig. 4: Enlace covalente del silicio.
Cuando se aplica voltaje a travs de un trozo de silicio
intrnseco, como muestra la figura 6, los electrones libres
E. Electrones de conduccin y hueco generados trmicamente presentes en la banda de conduccin
Un cristal de silicio intrnseco (puro) a temperatura ambiente (que se mueven libremente y al azar en la estructura cristalina)
tiene energa calorfica (trmica) suficiente para que algunos son entonces fcilmente atrados hacia el extremo positivo. Este
electrones de valencia salten la banda prohibida desde la banda movimiento de electrones es un tipo de corriente en un material
de valencia hasta la banda de conduccin, convirtindose as en semiconductor y se llama corriente de electrn.
electrones libres, que tambin se conocen como electrones de
 Universidad Politcnica Salesiana. 3

electrones de valencia tales como boro (B), indio (In) y galio

(Ga). Como muestra la figura 8, cada tomo trivalente (boro, en
este caso) forma enlaces covalentes con cuatro tomos de silicio
adyacentes. Se utilizan los tres electrones de valencia del tomo
de boro en los enlaces covalentes y, como son necesarios cuatro
electrones, resulta un hueco cuando se agrega cada tomo
trivalente. Como el tomo trivalente puede tomar un electrn, a
menudo se hace referencia a l como tomo aceptor. El nmero
de huecos se controla cuidadosamente con el nmero de tomos
Fig. 6: La corriente de electrones en silicio intrnseco se produce por el
movimiento de electrones libres generados trmicamente. de impureza trivalente agregados al silicio. Un hueco creado
mediante este proceso de dopado no est acompaado por un
electrn de conduccin (libre).
G. Dopado
La conductividad del silicio y el germanio se incrementa
drsticamente mediante la adicin controlada de impurezas al
material semiconductor intrnseco (puro). Este proceso,
llamado dopado, incrementa el nmero de portadores de
corriente (electrones o huecos). Los dos portadores de
impurezas son el tipo n y el tipo p.

H. Semiconductor de tipo N
Para incrementar el nmero de electrones de banda de
conduccin en silicio intrnseco se agregan tomos de impureza
pentavalente. Estos son tomos son cinco electrones de valencia
tales como arsnico (As), fsforo (P), bismuto (Bi) y antimonio
(Sb). Como ilustra la figura 7, cada tomo pentavalente Fig. 8: tomo de impureza trivalente en una estructura de cristal de silicio. Un
(antimonio, en este caso) forma enlaces covalentes con cuatro tomo de impureza de boro (B) se muestra en el centro.
tomos de silicio adyacentes. Se utilizan cuatro de los
electrones de valencia del tomo de antimonio para formar
J. Unin pn y regin de empobrecimiento
enlaces covalentes con tomos de silicio y queda un electrn
extra. Este electrn extra llega a ser un electrn de conduccin Cuando se forma la unin pn, la regin n pierde electrones
porque no interviene en el enlace. Como el tomo pentavalente libres a medida que se difunden a travs de la unin. Esto crea
cede un electrn, se conoce como tomo donador. El nmero de una capa de cargas positivas (iones pentavalentes) cerca de la
electrones de conduccin puede ser controlado con cuidado unin. A medida que los electrones se mueven a travs de sta,
mediante el nmero de tomos de impureza agregados al silicio. la regin p pierde huecos a medida que los electrones y huecos
Un electrn de conduccin creado mediante este proceso de se combinan. Esto crea una capa de cargas negativas (iones
dopado no deja un hueco en la banda de valencia porque excede trivalentes) cerca de la unin. Estas dos capas de cargas
el nmero requerido para llenarla. positivas y negativas forman la regin de empobrecimiento,
como la figura 9 lo muestra.

Fig. 7: tomo de impureza pentavalente en una estructura de cristal de silicio.

Se muestra un tomo de impureza de antimonio (Sb) en el centro. El electrn
extra proveniente del tomo de Sb se convierte en electrn libre. Fig. 9: Por cada electrn que se difunde a travs de la unin y se combina con
un hueco, queda una carga positiva en la regin n, se crea una negativa en la
regin p, y se forma un potencial de barrera. Esta accin contina hasta que el
I. Semiconductor de tipo P voltaje de la barrera se opone a ms difusin. Las flechas entre las cargas
positivas y negativas en la regin de empobrecimiento representan el campo
Para incrementar el nmero de huecos en silicio intrnseco, elctrico.
se agregan tomos de impureza trivalentes tomos con tres
 Universidad Politcnica Salesiana. 4

Fig. 10: En el instante de la formacin de la unin.

Fig. 11: Unin pn en equilibrio.

IV. CONCLUSIONES
El silicio y el germanio son semiconductores muy buenos ya
que en su capa de valencia poseen cuatro electrones y esto
permite que los electrones interacten entre s en un enlace
covalente. En estos materiales se dopados con impurezas p y n,
forman una unin pn, unin que es llamada diodo.
La interaccin que se existen entre los tomos en presencia de
un voltaje permite que el diodo conduzca esta propiedad es la
base de funcionamiento del diodo.

Silicon and germanium are very good semiconductors since in

their valence shell they have four electrons and this allows the
electrons to interact with each other in a covalent bond. In these
materials are doped with impurities p and n, form a pn junction,
which is called a diode.
The interaction that exists between the atoms in the presence of
a voltage allows the diode to conduct this property is the basis
of operation of the diode.

V. BIBLIOGRAFIA
[1] Boylestad, R., Navarro Salas, R. and Pinn Rizo, J. (2011). Introduccin al
analisis de circuitos. Mexico: Prentice Hall.

[2] A.P. Malvino, "Principios de electrnica", McGraw Hill

[3]Robert L. Boylestad_ Louis Nashelsky-Electrnica_ Teora de Circuitos y

Dispositivos Electrnicos-Prentice Hall (2009)