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

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

--

- --

--

- - - -

- - - -

-

+

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

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

--

- --

--

- - - -

- - - -

--

+

+-

+ +

+ +

+ +

+

-------

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→

+ +

+ +

+

- - - - -

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

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.