Semiconductor Intrinseco y Extrinseco UNI

8/13/2019 Semiconductor Intrinseco y Extrinseco UNI

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SEMICONDUCTORES

Prof: HERNAN Cortez Galindo


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QU 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 unsemiconductor depende de los siguientes

factores: Calor, luz, campos elctricos y

magnticos.


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Sem iconducto res 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 excitacin

ptica y las impurezas.

Materiales semiconductores


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SEMICONDUCTORES

Fundamentos de los semiconductorestomos de Silicio y Germanio: Ms comnmente empleados enelectrnica


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BANDAS DE ENERGIA

Son los niveles de un tomo los cuales pueden estar

influenciados por energa externa o energa interna,en el tomo con estructura cristalina ordenada estn:la banda de conduccin, la banda de valencia


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Si un electrn de la banda de valencia alcanza la energa necesariapara saltar a la banda de conduccin, puede moverse al estado

vaco de la banda de conduccin de otro tomo vecino, generando

corriente elctrica. A temperatura ambiente algunos electrones

tienen esta energa. Es un s emicondu ctor .

Diagramas de bandasDiagrama de bandas del Ge

Eg=0,67eV Banda prohibida

Banda de valencia4 electrones/tomo--

--

Banda deconduccin

4 estados/tomo

Energa


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A 0K, tanto los aislantes como los semiconductores no conducen,

ya que ningn electrn tiene energa suficiente para pasar de labanda de valencia a la de conduccin. A 300K, algunos electronesde los semiconductores alcanzan este nivel. Al aumentar latemperatura aumenta la conduccin en los semiconductores (alcontrario que en los metales).

Eg

Banda devalencia

Banda de

conduccin

AislanteEg=5-10eV

Diagramas de bandas

SemiconductorEg=0,5-2eV

Eg

Banda devalencia

Banda de

conduccin

Banda devalencia

ConductorNo hay Eg

Banda de

conduccin


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No hay enlaces c ovalentes roto s. Esto equivale aque los electrones de la banda de valencia nopueden saltar a la banda de conduccin.

Representacin plana del Germanio a 0 K

- - - - -

- - - - -

- - -

-- -

-

-

-

-

-

-

-

-

- -- -

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - -


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Hay 1enlace roto por cada 1,7109tomos.

Un electrn libre y una carga + por cadaenlace roto.

Situacin del Ge a 0K

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - - -

- - - - -

- - -

-- -

-

-

- -

-

-

-

- - - -

- -- -

-

-

+

300 K


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Situacin del Ge a 300 K

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - - -

- - - - -

- - -

-- -

-

-

- -

-

-

-

- - - -

- -- -

-

-

+

Generacin

-

-

+

Recombinacin

Generacin

Siempre se estn rompiendo (generacin) yreconstruyendo (recombinacin) enlaces. La vida media

de un electrn puede ser del orden de milisegundos o

microsegundos.

-

++

-

-

Recombinacin

Generacin

Muyimportante


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+-

++++

++

+

-

--

----

-

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

-

-

- -

-

-

-

- - --

- -- -

-

+

Aplicacin de un campo externo

El electrn libre se mueve por accin del campo.

Y la carga + ?.

- - --


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Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

-

-

- -

-

-

-

- - --

- -- -

-

-

+

+-

++++

++

+

-

--

----

Aplicacin de un campo externo

-

+-

-

La carga + se mueve tambin. Es un nuevo

portador de carga, llamado hueco.

Muyimportante


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jp

jn

Existe corriente elctrica debida a los dos portadores de carga:

jp=qpp es la densidad de corriente de huecos.jn=qnn es la densidad de corriente de electrones.

Movimiento de cargas por un campoelctrico exterior

+++

++

--

---

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+


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jp=qpp jn=qnn

Movimiento de cargas por un campo elctricoexterior

Ge(cm

2/Vs)

Si(cm

2/Vs)

As Ga(cm

2/Vs)

n 3900 1350 8500

p

1900 480 400

q = carga del electrn

p= movilidad de los huecos

n= movilidad de los electrones

p = concentracin de huecos

n = concentracin de electrones

= intensidad del campo elctrico

Muyimportante


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Todo lo comentado hasta ahora se refiere a los llamados

Semiconductores Intrnsecos, en los que:No hay ninguna impureza en la red cristalina.

Hay igual nmero de electrones que de huecos n = p = ni

Ge: ni= 21013

portadores/cm3

Si: ni= 1010portadores/cm3

AsGa: ni= 2106portadores/cm3

(a temperatura ambiente)

Pueden modificarse estos valores?

Puede desequilibrarse el nmero de electrones y dehuecos?

La respuesta son los Semiconducto res Extrnsecos

Semiconductores Intrnsecos


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A 0K, habra un electrnadicional ligado al tomo

de Sb

Tiene 5 electrones en laltima capa

Semiconductores ExtrnsecosIntroducimos pequeas cantidades de impurezas delgrupo V

Sb, P, AS (Pentavalente)

- - - - -

-- - - -

- - -

--

-

-

-

-

-

-

-

- -- -

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - -

Sb

-

-

-

12

3

4

5 0K


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- - - - -

- - - - -

- - -

--

-

-

-

-

-

-

-

- -- -

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - -

Sb

-

--

1

2

34

5 0K

Semiconductores Extrnsecos Tipo N

300K

Sb+

5-

A 300K, todos electrones adicionales de los tomos de Sb estndesligados de su tomo (pueden desplazarse y originar corriente

elctrica). El Sb es un donador y en el Ge hay ms electrones

que huecos. Es un semiconductortipo N.


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-En

erga

Eg=0,67eV

4 electr./atom.

4 est./atm.0 electr./atm.

ESb=0,039eV

---

-

0K

El Sb genera un estado permitido en la bandaprohibida, muy cerca de la banda de conduccin. Laenerga necesaria para alcanzar la banda deconduccin se consigue a la temperatura ambiente.

Semiconductores Extrnsecos

Interpretacin en diagrama de bandas de un

semiconductor extrnseco Tipo N

3 est./atm.1 electr./atom.-

+

300K


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A 0K, habra una falta de

electrn adicional ligado

al tomo de Al

Tiene 3 electrones en laltima capa

Semiconductores Extrnsecos Tipo PIntroducimos pequeas cantidades de impurezas delgrupo III

B, Ga, In, Al, Ta ( Trivalente)

- - - - -

-- - - -

- - -

--

-

-

-

-- --

- - - -

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - -

Al

-1

2

3

0K


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A 300K, todas las faltasde electrn de los tomos de

Al estn cubiertas con un electrn procedente de untomo de Ge, en el que se genera un hueco. El Al es unaceptadory en el Ge hay ms huecos que electrones. Esun semiconductortipo P.

Semiconductores Extrnsecos Tipo P

- - - - -

-

- -

- -

- - -

- -

-

-

-

-

-

-

-

- -- -

Ge

Ge

Ge

Ge Ge Ge Ge

- - - -

Al

-1

2

3

0K300K

Al-

+

-

4 (extra)


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E

nerga

Eg

=0,67eV

4 electr./atom.0 huecos/atom.

4 est./atom.

EAl=0,067eV

---

-

0K

+-

3 electr./atom.1 hueco/atom.

300K

Interpretacin en diagrama de bandas de un

semiconductor extrnseco Tipo P

Semiconductores Extrnsecos

El Al genera un estado permitido en la banda prohibida,muy cerca de la banda de valencia. La energa necesariapara que un electrn alcance este estado permitido seconsigue a la temperatura ambiente, generando un huecoen la banda de valencia.


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Sem iconduc to res int rnsecos:

Igual nmero de huecos y de electronesSem iconduc to res extrnsecos:

Tipo P:

Ms huecos (mayor i tar ios) que electrones (minor i tar ios)Impurezas del grupo III (aceptador)

Todos los tomos de aceptador ionizados -.

Tipo N:

Ms electrones (mayor i tar ios) que huecos (minor i tar ios)

Impurezas del grupo V (donador)

Todos los tomos de donador ionizados +.

ResumenMuy

importante


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Neutral idad elctr ic a (el semiconductor intrnseco eraneutro y la sustancia dopante tambin, por lo quetambin lo ser el semiconductor extrnseco):

Dopado tipo N: n=p + ND

Dopado tipo P: n + NA= pAmbos dopados: n + NA= p + ND

Produc to np pn=ni2

Simplificaciones si ND >> ni

n=ND NDp = ni2Simplificaciones si NA >> ni

p=NA NAn = ni2

Ecuaciones en los semiconductores extrnsecos

ND= concentr. donador NA= concentr. aceptador

Muyimportante


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Semiconductor extrnseco : TIPO N

Sb

Sb

Sb Sb Sb

Sb

SbSb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb Impurezasgrupo V

300K

+

+

+ + +

+

++

+

+

+

+

+

+

++

Electrones libres tomos de impurezas ionizados

Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N sonelectrones libres

DIODOS SEMICONDUCTORES


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Semiconductor extrnseco : TIPO P

Al

Al

Al Al Al

Al

AlAl

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Impurezas grup

300K

-

-

- - -

-

--

-

-

-

-

-

-

--

Huecos libres tomos de impurezas ionizados

Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P sonHuecos. Actan como portadores d e carga posi t iva.

DIODOS SEMICONDUCTORES


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La unin P-N

La unin P-N en equilibrio

-

-

-

-

-

-

--

-

-

-

-

-

-

-- +

+

+ + ++

+

+

++

+

+

+

+

++

Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N


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La unin P-N

La unin P-N en equilibrio

-

-

-

-

-

-

--

-

-

-

-

++

+

++

+

+

+

+

++

Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

-

-

-- +

+

+ +

+

+-

Zona de transicin

Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona decarga espacial denominada zona de transicin. Que acta como unabarrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.

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