Post on 12-Dec-2015
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SEMICONDUCTORES
Prof: HERNAN Cortez Galindo
¿QUÉ ES UN SEMICONDUCTOR?
• Elemento que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de las condiciones en las que se encuentre.
• El numero de electrones libres de un semiconductor depende de los siguientes factores: Calor, luz, campos eléctricos y magnéticos.
Semiconductores elementales: Germanio (Ge) y Silicio (Si)
Compuestos IV: SiC y SiGe
Compuestos III-V:
Binarios: GaAs, GaP, GaSb, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP y InSb
Ternarios: GaAsP, AlGaAs
Cuaternarios: InGaAsP
Compuestos II-VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe y CdTe
Son materiales de conductividad intermedia entre la de
los metales y la de los aislantes, que se modifica en
gran medida por la temperatura, la excitación óptica y
las impurezas.
Son materiales de conductividad intermedia entre la de
los metales y la de los aislantes, que se modifica en
gran medida por la temperatura, la excitación óptica y
las impurezas.
Materiales semiconductores
SEMICONDUCTORES
Fundamentos de los semiconductoresFundamentos de los semiconductores
Átomos de Silicio y Germanio: Más comúnmente empleados en electrónica
BANDAS DE ENERGIA
• Son los niveles de un átomo los cuales pueden estar influenciados por energía externa o energía interna, en el átomo con estructura cristalina ordenada están: la banda de conducción, la banda de valencia
Si un electrón de la banda de valencia alcanza la energía necesaria para
saltar a la banda de conducción, puede moverse al estado vacío de la
banda de conducción de otro átomo vecino, generando corriente
eléctrica. A temperatura ambiente algunos electrones tienen esta
energía. Es un semiconductor.
Si un electrón de la banda de valencia alcanza la energía necesaria para
saltar a la banda de conducción, puede moverse al estado vacío de la
banda de conducción de otro átomo vecino, generando corriente
eléctrica. A temperatura ambiente algunos electrones tienen esta
energía. Es un semiconductor.
Diagramas de bandas Diagrama de bandas del Ge
Eg=0,67eV Banda prohibida
Banda de valencia4 electrones/átomo--
--
Banda de conducción4 estados/átomo
Ene
rgía
A 0ºK, tanto los aislantes como los semiconductores no conducen, ya que ningún electrón tiene energía suficiente para pasar de la banda de valencia a la de conducción. A 300ºK, algunos electrones de los semiconductores alcanzan este nivel. Al aumentar la temperatura aumenta la conducción en los semiconductores (al contrario que en los metales).
A 0ºK, tanto los aislantes como los semiconductores no conducen, ya que ningún electrón tiene energía suficiente para pasar de la banda de valencia a la de conducción. A 300ºK, algunos electrones de los semiconductores alcanzan este nivel. Al aumentar la temperatura aumenta la conducción en los semiconductores (al contrario que en los metales).
Eg
Banda de valencia
Banda de conducción
AislanteEg=5-10eV
Diagramas de bandas
SemiconductorEg=0,5-2eV
Eg
Banda de valencia
Banda de conducción
Banda de valencia
ConductorNo hay Eg
Banda de conducción
No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a que los electrones de la banda de valencia no pueden saltar a la banda de conducción.
No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a que los electrones de la banda de valencia no pueden saltar a la banda de conducción.
Representación plana del Germanio a 0º K
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
--
--
--
--
- - - -
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge Ge Ge Ge
- - - -
•Hay 1 enlace roto por cada 1,7·109 átomos.
•Un electrón “libre” y una carga “+” por cada enlace roto.
•Hay 1 enlace roto por cada 1,7·109 átomos.
•Un electrón “libre” y una carga “+” por cada enlace roto.
Situación del Ge a 0ºK
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
--
- --
--
- - - -
- - - -
--
+
300º K
Situación del Ge a 300º K
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
--
- --
--
- - - -
- - - -
--
+Generación
-
-
+
Recombinación
Generación
Siempre se están rompiendo (generación) y reconstruyendo
(recombinación) enlaces. La vida media de un electrón
puede ser del orden de milisegundos o microsegundos.
Siempre se están rompiendo (generación) y reconstruyendo
(recombinación) enlaces. La vida media de un electrón
puede ser del orden de milisegundos o microsegundos.
-
++-
-
Recombinación
Generación
Muyimportante
+-
+ +
+ +
+ +
+
-------
-
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
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- - -
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--
- --
--
- - - -
- - - -
-
+
Aplicación de un campo externo
•El electrón libre se mueve por acción del campo.
•¿Y la carga ”+” ?.
•El electrón libre se mueve por acción del campo.
•¿Y la carga ”+” ?.
- - --
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
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- - -
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--
- --
--
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- - - -
--
+
+-
+ +
+ +
+ +
+
-------
Aplicación de un campo externo
-
+--
•La carga “+” se mueve también. Es un nuevo portador de carga, llamado “hueco”.
•La carga “+” se mueve también. Es un nuevo portador de carga, llamado “hueco”.
Muyimportante
jp→
jn→
Existe corriente eléctrica debida a los dos portadores de carga:
jp=q·µ p·p·Ε es la densidad de corriente de huecos.
jn=q·µ n·n·Ε es la densidad de corriente de electrones.
Existe corriente eléctrica debida a los dos portadores de carga:
jp=q·µ p·p·Ε es la densidad de corriente de huecos.
jn=q·µ n·n·Ε es la densidad de corriente de electrones.
→→→→
Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior
Ε→
+ +
+ +
+
- - - - -
-
-
+
+
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-
+
+
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+
+
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+
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+
+
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+
+
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+
+
-
-
+
+
jp=q·µ p·p·Ε jn=q·µ n·n·Ε→ → →→
Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior
Ge(cm2/V·s)
Si(cm2/V·s)
As Ga(cm2/V·s)
µn 3900 1350 8500
µp 1900 480 400
q = carga del electrón
µ p = movilidad de los huecos
µ n = movilidad de los electrones
p = concentración de huecos
n = concentración de electrones
Ε = intensidad del campo eléctrico
Muyimportante
Todo lo comentado hasta ahora se refiere a los llamados “Semiconductores Intrínsecos”, en los que:
•No hay ninguna impureza en la red cristalina.
•Hay igual número de electrones que de huecos n = p = ni
Ge: ni = 2·1013 portadores/cm3
Si: ni = 1010 portadores/cm3
AsGa: ni = 2·106 portadores/cm3
(a temperatura ambiente)
¿Pueden modificarse estos valores?
¿Puede desequilibrarse el número de electrones y de huecos?
La respuesta son los Semiconductores Extrínsecos
¿Pueden modificarse estos valores?
¿Puede desequilibrarse el número de electrones y de huecos?
La respuesta son los Semiconductores Extrínsecos
Semiconductores Intrínsecos
A 0ºK, habría un electrón adicional ligado al átomo de
Sb
A 0ºK, habría un electrón adicional ligado al átomo de
Sb
Tiene 5 electrones en la última capa
Semiconductores Extrínsecos Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo V
Sb, P, AS (Pentavalente)
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
--
- --
--
- - - -
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge- - - -
Sb
-
-
-1
2
34
5 0ºK
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
--
- --
--
- - - -
Ge
Ge
Ge
Ge Ge Ge Ge
- - - -
Sb-
-
-1
2
34
5 0ºK
Semiconductores Extrínsecos Tipo N
300ºK
Sb+
5-
A 300ºK, todos electrones adicionales de los átomos de Sb están desligados de su átomo (pueden desplazarse y originar corriente
eléctrica). El Sb es un donador y en el Ge hay más electrones que
huecos. Es un semiconductor tipo N.
A 300ºK, todos electrones adicionales de los átomos de Sb están desligados de su átomo (pueden desplazarse y originar corriente
eléctrica). El Sb es un donador y en el Ge hay más electrones que
huecos. Es un semiconductor tipo N.
-
Ene
rgía
Eg=0,67eV
4 electr./atom.
4 est./atm.0 electr./atm.
ESb =0,039eV
---
-
0ºK
El Sb genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda de conducción. La energía necesaria para alcanzar la banda de conducción se consigue a la temperatura ambiente.
El Sb genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda de conducción. La energía necesaria para alcanzar la banda de conducción se consigue a la temperatura ambiente.
Semiconductores Extrínsecos
Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor
extrínseco Tipo N
3 est./atm.1 electr./atom.-
+
300ºK
A 0ºK, habría una “falta de electrón” adicional ligado al
átomo de Al
A 0ºK, habría una “falta de electrón” adicional ligado al
átomo de Al
Tiene 3 electrones en la última capa
Semiconductores Extrínsecos Tipo PIntroducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo III
B, Ga, In, Al, Ta ( Trivalente)
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
--
- --
--
- - - -
Ge
Ge
Ge
Ge Ge Ge Ge
- - - -
Al
-12
3
0ºK
A 300ºK, todas las “faltas” de electrón de los átomos de Al están cubiertas con un electrón procedente de un átomo de Ge, en el que se genera un hueco. El Al es un aceptador y en el Ge hay más huecos que electrones. Es un semiconductor tipo P.
A 300ºK, todas las “faltas” de electrón de los átomos de Al están cubiertas con un electrón procedente de un átomo de Ge, en el que se genera un hueco. El Al es un aceptador y en el Ge hay más huecos que electrones. Es un semiconductor tipo P.
Semiconductores Extrínsecos Tipo P
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
--
- --
--
- - - -
Ge
Ge
Ge
Ge Ge Ge Ge
- - - -
Al
-12
3
0ºK 300ºK
Al-
+
-4 (extra)
Ene
r gía
Eg=0,67eV
4 electr./atom.0 huecos/atom.
4 est./atom.
EAl =0,067eV
---
-
0ºK
+
-
3 electr./atom.1 hueco/atom.
300ºK
Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor
extrínseco Tipo P
Semiconductores Extrínsecos
El Al genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda de valencia. La energía necesaria para que un electrón alcance este estado permitido se consigue a la temperatura ambiente, generando un hueco en la banda de valencia.
El Al genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda de valencia. La energía necesaria para que un electrón alcance este estado permitido se consigue a la temperatura ambiente, generando un hueco en la banda de valencia.
Semiconductores intrínsecos:•Igual número de huecos y de electrones
Semiconductores extrínsecos:
Tipo P:•Más huecos (mayoritarios) que electrones (minoritarios)
•Impurezas del grupo III (aceptador)
•Todos los átomos de aceptador ionizados “-”.
Tipo N:•Más electrones (mayoritarios) que huecos (minoritarios)
•Impurezas del grupo V (donador)
•Todos los átomos de donador ionizados “+”.
ResumenMuy
importante
Neutralidad eléctrica (el semiconductor intrínseco era neutro y la sustancia dopante también, por lo que también lo será el semiconductor extrínseco):
Dopado tipo N: n = p + ND
Dopado tipo P: n + NA = p
Ambos dopados: n + NA = p + ND
Dopado tipo N: n = p + ND
Dopado tipo P: n + NA = p
Ambos dopados: n + NA = p + ND
Producto n·p p·n =ni2p·n =ni
2
Simplificaciones si ND >> ni
n=ND ND·p = ni2
Simplificaciones si NA >> ni
p=NA NA·n = ni2
Ecuaciones en los semiconductores extrínsecos
ND= concentr. donador NA= concentr. aceptador
Muyimportante
Semiconductor extrínseco : TIPO N
Sb
Sb
SbSb
Sb
Sb
SbSb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
SbImpurezas grupo V
300ºK
+
+
++
+
+
++
+
+
+
+
+
+
++
Electrones libres Átomos de impurezas ionizados
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son electrones libres
DIODOS SEMICONDUCTORESDIODOS SEMICONDUCTORES
Semiconductor extrínseco : TIPO P
Al
Al
AlAl
Al
Al
AlAl
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Impurezas grupo III
300ºK
-
-
--
-
-
--
-
-
-
-
-
-
--
Huecos libres Átomos de impurezas ionizados
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.
DIODOS SEMICONDUCTORESDIODOS SEMICONDUCTORES
La unión P-NLa unión P-N
La unión P-N en equilibrio
-
-
-
-
-
-
--
-
-
-
-
-
-
-- +
+
+ + ++
+
+
++
+
++
+
++
Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
La unión P-NLa unión P-N
La unión P-N en equilibrio
-
-
-
-
-
-
--
-
-
-
-
++
+
++
+
++
+
++
Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
-
-
-- +
+
+ +
+
+-
Zona de transición
Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada ‘zona de transición’. Que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.