Post on 23-Jul-2015
Descubrimiento de los semiconductores y primeras aplicaciones
11/11/2014
Programa de búsqueda para sustituir los conmutadores electromecánicos con otros
basados en semiconductores.1936 Bell T. Laboratories
Propone una teoría de bandas del sólido y el concepto de impurezas donadoras y
aceptoras.1931 A. Wilson
Concepto de hueco como quasi-partícula de carga positiva1931 W. Heisenberg
Postula que la resistividad de los semiconductores depende de T1903 J. Koenigsberg
Descubre que la corriente eléctrica en los metales es debida al movimiento de los
electrones1901 V. E. Riecke
Descubrimiento del electrón1897 J.J. Thomson
Primer diodo de vacío 1874 F. Braun
Descubre que la conductividad de algunos materiales aumenta con T1833 M. Faraday
Introduce la palabra “semiconductor”1782 A. Volta
Primer fotodiodo basado en la unión p/n de silicio 1940
Shockley: dispositivo amplificador basado en semiconductores 1939
Primera radio de transistor1948
Invención del transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley )1947
Western Electric: primer transistor comercial (amplificador para auriculares para
sordos)1951
1956
1956
1956
1956
1956 Bardeen, Brattain e Shockley reciben el premio Nobel por la descubrimiento del transistor.
11/11/2014
Materiales semiconductores
Diferencias conductor – semiconductor
Semiconductores. Conducción intrínseca y
extrínseca
Modelo de bandas de energía
Ley de acción de masas
Ley de la neutralidad eléctrica
Corrientes de desplazamiento
Corrientes de difusión
11/11/2014
Diferencias conductor – semiconductor
Influencia de la temperatura en la resistencia
11/11/2014
108 (m)-1
Cu
s
T
Efecto Hall
Fotoresistencia
T
106 (m)-1
s
Ge
Efecto Hall
11/11/2014
VH
Jva
F
B
-VH
Jva
F
B
En semiconductores: silicio dopado con galio
En conductores
Variación de la conductividad por iluminación
11/11/2014
luz
Frecuencia radiación
Energía de los fotones
Foto
co
nductivid
ad d
el G
eA
Estructura de un metal
11/11/2014
+
+ ++
++
+
++
++
+
+
++
+
+ ++
++
+
++
++
+
+
++
+
++
++
+
++
++
+
+
++
+
1029 e- libres/m3
Semiconductores. Conducción intrínseca
11/11/2014
T = 0 K
A 300 K: 1e– cada 109
átomos, 1019 e–/m3
T 0 K
rE
Ge
Concentración de e-: (n)
Concentración de h : (p)
n = p
Semiconductores. Conducción extrínseca
11/11/2014
e– poco ligado
(0.03 -0.1 eV)
e– ocupa el hueco
(0.04 -0.12 eV)
Ga
Átomo donador P,As,Sb: (ND)
A
s
tipo NrE
Átomo aceptor B,Al,Ga,In: (NA)
tipo P
Portadores mayoritarios: n 1022/m3
Portadores minoritarios: p 1016/m3
Portadores mayoritarios: p 1022/m3
Portadores minoritarios: n 1016/m3
Donadores y aceptores para el silicio
11/11/2014
1
H1,008
2
He4,003
3
Li6,941
4
Be9,012
5
B10,811
6
C12,011
7
N14,007
8
O15,999
9
F18,998
10
Ne20,183
11
Na22,990
12
Mg24,305
13
Al26,982
14
Si28,086
15
P30,974
16
S32,064
17
Cl35,453
18
Ar39,948
19
K39,10
20
Ca40,08
...
30
Zn65,37
31
Ga69,72
32
Ge72,59
33
As74,92
34
Se78,96
35
Br79,91
36
Kr83,80
37
Rb85,47
38
Sr87,62
...
48
Cd112,40
49
In114,82
50
Sn118,89
51
Sb121,75
52
Te127,60
53
I126,90
54
Xe131,30
55
Cs132,91
56
Ba137,33
...
80
Hg200,59
81
Tl204,37
82
Pb207,19
83
Bi208,98
84
Po(210)
85
At(210)
86
Rn(222)
Donadores y aceptores para el germanio
11/11/2014
1
H1,008
2
He4,003
3
Li6,941
4
Be9,012
5
B10,811
6
C12,011
7
N14,007
8
O15,999
9
F18,998
10
Ne20,183
11
Na22,990
12
Mg24,305
13
Al26,982
14
Si28,086
15
P30,974
16
S32,064
17
Cl35,453
18
Ar39,948
19
K39,10
20
Ca40,08
...
30
Zn65,37
31
Ga69,72
32
Ge72,59
33
As74,92
34
Se78,96
35
Br79,91
36
Kr83,80
37
Rb85,47
38
Sr87,62
...
48
Cd112,40
49
In114,82
50
Sn118,89
51
Sb121,75
52
Te127,60
53
I126,90
54
Xe131,30
55
Cs132,91
56
Ba137,33
...
80
Hg200,59
81
Tl204,37
82
Pb207,19
83
Bi208,98
84
Po(210)
85
At(210)
86
Rn(222)
Estructura electrónica
11/11/2014
Estados o niveles de
energía permitidos
EN
ER
GÍA
DE
Le
-
+p
Hidrógeno
+6
6Carbono: 1s2 2s2 2p2
aislante
14Silicio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
32Germanio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s24p2
semiconductores
50Estaño: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s24p64d105s25p2
conductor
Modelo de bandas de energía
11/11/2014
X3 X2 X1
Grafito Átomos aisladosDiamante
2s²
2p²
Niveles vacíos
Niveles ocupados
d
E
BANDAPROHIBIDA
BANDADE
CONDUCCIÓN
BANDADE
VALENCIA
Modelo de bandas de energía
(continuación)
11/11/2014
BV
BC
Eg = 10 eV
BV
BC
Eg = 1 eV
BV
BC
Aislante Semiconductor Conductor
Eg(Si) = 1,12 eV
Eg(Ge) = 0,66 eVT = 300 K
Modelo de bandas de energía.
Conducción intrínseca
11/11/2014
Eg (Si) 1,1 eV
Eg (Ge) 0,7 eV
Eg
E
T = 0 K
Banda de valencia
Banda prohibida
Banda de conducción
n = p = ni
T > 0 K
Modelo de bandas de energía.
Conducción extrínseca (tipo n)
11/11/2014
0.01 eV
T > 0 K
Nivel donante
T = 0 K
E
Ión de
impureza
donante
Modelo de bandas de energía.
Conducción extrínseca (tipo p)
11/11/2014
Nivel aceptor
E
0,01 eV
T = 0 K T > 0 K Ión de
impureza
aceptora
Huecos en la BV
Ley de acción de masas
ni(Ge, 300 K) = 2,4·1019 port./m3
ni(Si, 300 K) = 1,5·1016 port./m3
11/11/2014
n·p = ni2
kT2
E
2
3
i
g
eAT)t(fn
n: número de electrones por unidad de volumen
p: número de huecos por unidad de volumen
ni: concentración intrínseca
Ley de la neutralidad eléctrica
NA + n = ND + p
Intrínseco NA = ND = 0 p = n = ni
Tipo n NA = 0; n ND
Tipo p ND = 0; p NA
11/11/2014
D
2i
N
np
A
2i
N
nn
Concentraciones de portadores
11/11/2014
NA + n = p ; p >>>>> n; NA p
PN
Iones de impureza aceptora INMÓVIL
Hueco dejado por electrón MÓVIL
Electrón térmico MÓVIL
Hueco térmico MÓVIL
ND + p = n ; n >>>>> p; ND n
Iones de impureza dadora
INMÓVIL
Electrón liberado por dador MÓVIL
Electrón térmico MÓVIL
Hueco térmico MÓVIL
Pro
pie
da
de
s d
el g
erm
an
io y
el
silic
io
11/11/2014
Ge Si
Número atómico 32 14
Masa atómica (g/mol) 72,6 28,08
Radio atómico (nm) 0,137 0,132
Estructura electrónica [Ar]4s23d104p2 [Ne]3s23p2
Densidad kg/m3 5323 2330
Temperatura de fusión 937,4 ºC 1410 ºC
Calor específico J/kg·ºC 309 677
Concentración atómica at/m3 4,42·1028 4,96·1028
Concentración intrínseca (300 K) 2,36·1019 m-3 1,5·1016 m-3
Constante A m-3·K-3/2 1,91·1021 4,92·1021
Anchura banda prohibida (300 K) 0,67 eV 1,1 eV
Movilidad electrones (300 K) 0,39 m2/Vs 0,135 m2/Vs
Movilidad huecos (300 K) 0,182 m2/Vs 0,05 m2/Vs
Resistividad intrínseca (300 K) 0,47 m 2300 m
Difusividad electrones 10,1·10-3 m2/s 3,5·10-3 m2/s
Difusividad huecos 4,9·10-3 m2/s 1,3·10-3 m2/s
Permitividad eléctrica 15,7 12
Masa efectiva electrones 0,5 m0 1,1 m0
Masa efectiva huecos 0,37 m0 0,59 m0
Conductividad de semiconductores
11/11/2014
0
5
10
15
20
25
30
250 270 290 310 330 350 370
T (K)
Co
nd
uctivid
ad
(S
/m)
Ge
Semiconductor extrínseco
0
1
2
0 100 200 300 400 500T (K)
Co
nductivid
ad (
S/m
)
Si puro
ND=5∙1019
m-3
ND=1020
m-3
A poca temperatura,
las impurezas se ionizan
rápidamente.Los portadores procedentes de las
impurezas, ya ionizadas, no
aumentan sensiblemente.
A temperaturas altas, la
conducción intrínseca se
hace significativa.
Corrientes de desplazamiento
J = Jp + Jn = qe(nn + pp)E = sE
s = qe(nn + pp)
11/11/2014
Enq)E)(q(nvnqJ nenenn
rrrr EpqvpqJ pepp
rrr
vn = -nEr r
Jn
rJp
r
vp = pErr
rEext
Corrientes de desplazamiento en SC
Intrínsecos
11/11/2014
p = n = ni
s = qe(nn + pp)
s = qeni(n + p)
pp >> n
s qpp
n >> p
s qnn
n
Extrínsecos
Co
rrie
nte
s d
e d
ifu
sió
n
Ley de Fick
Dn Difusividad de electrones (Dn Si = 3,5·10-3 m2/s)
Dp Difusividad de huecos (Dp Si = 1,31·10-3 m2/s)
11/11/2014
n = 0
rJdif = -qDn
Relación de Einstein: T
p
p
n
n Vq
kTDD
k (Constante de Boltzmann) = 1,38·10-23 JK-1 VT(300 K) = 25,85 mV
dx
ndn
r
Ley de OhmrJ = -sV
Variación de potencial en un
semiconductor con dopado no
uniforme
11/11/2014
p = p(x)
x2x1
0 x en circuito abierto Jdif + Jdesp = 0
p(x2)p(x1)
0Eqpdx
pdqD pp
rr
Relación de Einstein: pTpp Vq
kTD
rE