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Conducción en un Semiconductor

Visión de Conjunto

Un factor fundamental son los niveles de energía que los electrones pueden ocupar y cómo se mueven por la red cristalina. Los electrones en el enlace covalente formado entre cada uno de los átomos en la estructura de la red se mantienen en su lugar por este enlace y, por lo tanto, se localizan en la región que rodea al átomo. Estos electrones unidos no pueden mover o cambiar la energía, y, por lo tanto, no se consideran "libres" y no pueden participar en el flujo de corriente, absorción, u otros procedimientos físicos de interés en las células solares. Sin embargo, sólo en el cero absoluto todos los electrones están "pegados" en este enlace. A temperaturas elevadas, especialmente a las temperaturas donde las células solares operan, los electrones pueden ganar suficiente energía para escapar de sus enlaces. Cuando esto sucede, los electrones son libres de moverse por la red cristalina y participar en la conducción. A temperatura ambiente, un semiconductor tiene suficientes electrones libres para conducir la corriente. Cerca del cero absoluto un semiconductor se comporta como un aislante.

  1. Semiconductores actúan como aislantes a bajas temperaturas y conductores a temperaturas más altas.
  2. La conducción se produce a una temperatura más alta debido a que los electrones que rodean los átomos semiconductores pueden separarse de su enlace covalente y moverse libremente por la red
  3. La estructura del enlace de un semiconductor determina sus propiedades.

Cuando un electrón gana energía suficiente para participar en la conducción (es "libre"), se encuentra en un estado de alta energía. Cuando el electrón está enlazado, y, entonces, no pueden participar en la conducción, el electrón se encuentra en un estado de baja energía. Por lo tanto, la presencia de la unión entre los dos átomos introduce dos estados de energía distintos para los electrones. El electrón no puede alcanzar valores de energía intermedios a estos dos niveles; o está en una posición de baja energía en el enlace, o ha ganado suficiente energía para ser libre y una cierta energía mínima. Esta energía mínima se llama la "banda prohibida" de un semiconductor. El número y la energía de estos electrones libres que participan en la conducción, es básica para el funcionamiento de dispositivos electrónicos.

Animación que muestra la formación de los electrones "libres" y los agujeros cuando un electrón puede escapar de su enlace.

Los parámetros más importantes de un material semiconductor para el funcionamiento de la célula solar son:

  • la banda prohibida;
  • el número de portadores libres (electrones o huecos) disponibles para la conducción; y
  • la "generación" y recombinación de portadores libres (electrones o agujeros) en respuesta a la luz que brilla sobre el material.

Más detalles sobre estas propiedades se da en las páginas siguientes.