En un material semiconductor típico, se parte del silicio (grupo IV) y se introducen átomos del grupo V o del grupo III, dependiendo de si se construye un semiconductor de tipo n o p, respectivamente.
¿Por qué es óptimo elegir los átomos dopantes a un grupo de distancia? ¿Por qué no introducir átomos de los grupos VI o II, por ejemplo?
Examine las opciones II-VI desde el punto de vista químico.
En el caso del silicio, el dopaje del Grupo III de boro p sería sustituido por el dopaje del Grupo II de berilio, y el dopaje del Grupo V de fósforo n sería sustituido por el dopaje del Grupo VI de azufre.
El berilio tendería a actuar como una base de Lewis que dona un par de electrones a algún átomo de silicio cercano, formando un enlace más fuerte y localizado que el posible con la cuenta de electrones impar creada por el dopaje de boro. Del mismo modo, el azufre tendería a actuar como un ácido de Lewis y a formar un enlace sulfuro localizado con algún átomo de silicio cercano, frente a la cantidad de electrones impar creada por el fósforo.
Por lo tanto, la razón principal para elegir elementos inmediatamente "próximos" (alejados por un electrón) es evitar la introducción de electrones emparejados, que en promedio se enlazarán más fuertemente y más localmente a través de un proceso Lewis base-ácido.
Dicho esto, hay suficiente complejidad para que todavía sea posible conseguir que el dopaje II-VI o incluso I-VII funcione en las situaciones adecuadas.
Bien, esto es un comienzo útil. Ahora entiendo que, por ejemplo, el V/III tiene propiedades iónicas y, por tanto, probablemente sea menos deseable que el V/IV. Pero hay muchos materiales semiconductores que son iónicos; por ejemplo, los IV/VI están en uso. Por lo tanto, sigue habiendo una pregunta: ¿por qué no V/III, dado que los compuestos iónicos están en uso?
@SimonS, lo siento, como que perdí el rastro de este cuando se movió. Yo... no entiendo muy bien tu pregunta, específicamente lo que quieres decir con "iónico" en este contexto. Si te refieres a la idea del par ácido-base de Lewis, eso no es necesariamente un enlace fuertemente iónico; es más bien un enlace covalente en el que ambos electrones provienen del mismo átomo. Así que sólo estaba diciendo que si se crea esencialmente un radical libre, un enlace incompleto sin una forma fácil de conseguir un compañero local. Pero claramente no es una necesidad. Más allá de eso habría que profundizar mucho en el modelado, y me retiro por eso.
Esta es una gran pregunta, y una que también tengo y me gustaría ver una mejor explicación para la respuesta, pero puedo ofrecer lo que sé (lo comentaría, pero no tengo esa usabilidad en este momento).
Cuando se añade un dopante a, por ejemplo, el Si, se acorta la distancia entre la banda de valencia y la de conducción añadiendo una banda de conducción accesible (vacía) justo por encima de la banda de valencia original (en el caso de los tipos P, como el B) o se hace más accesible la banda de conducción original añadiendo una banda de valencia de mayor energía (en el caso de los tipos N, como el N).
Mi respuesta a tu pregunta es una de dos cosas:
Los elementos semiconductores tienen la mitad de las cáscaras exteriores, por lo que si dopamos elementos del grupo VI o II que tienen 6 y 2 electrones en la cáscara exterior y forman enlaces covalentes entre sí, al igual que el Si dopado con el Si, se produciría un aislante sin electrones libres porque no hay ninguna vacante.
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Esta es una gran pregunta, pero se beneficiaría de un químico. Mi intuición es que los elementos de un grupo, una vez que se desprende un electrón, tienen una estructura orbital idéntica a la del Si, por lo que se asientan bien en la red, creando un defecto mínimo, permitiendo que su electrón se una a la banda de conducción sin tanta tensión en la red. Si haces un ion +2/-2 la carga nuclear probablemente ligará un electrón en la vecindad, y la red se distorsionará más, y quizás los electrones ni siquiera entrarán en la banda de conducción, o harás un aislante desordenado. Puede que sí, puede que no.