semiconductores intrínsecos y dopados

SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Y

DOPADOSJUAN HERMAN FARIAS FEIJOO

Clasificación de Sólidos cristalinos en función de sus propiedades eléctricas

En los sólidos, debido a la interacción entre los átomos que forman el cristal, aparece un desdoblamiento de estados desdoblamiento de

energías.Cada nivel en el átomo forma una banda. Para la distancia

interátomica de equilibrio pueden las bandas estar: Solapadas METAL Separadas (0.5-4 eV) SEMICONDUCTOR Muy separadas (> 4eV) AISLANTE

Aparece un GAP deenergías nopermitidas: Eg

Semiconductor Intrínseco: Intrínseco indica un material semiconductor

extremadamente puro contiene una cantidad insignificante de átomos de impurezas.

Semiconductor Extrínseco o Dopado: Un pequeño porcentaje de átomos del semiconductor

intrínseco se sustituye por átomos de otro elemento (impurezas o dopantes).

SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Y EXTRÍNSECOS O DOPADOS

SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO

A simple vista es imposible que un semiconductor permita elmovimiento de electrones a través de sus bandas de energía Idealmente, a T=0ºK, el semiconductor es un aislante porque

todos los e- están formando enlaces. Pero al crecer la temperatura, algún enlace covalente se puede

romper y quedar libre un e- para moverse en la estructura cristalina

El hecho de liberarse un e- deja un “hueco” (partícula ficticia po-sitiva) en la estructu-ra cristalina. De esta forma, dentro del se-miconductor encon-tramos el electrón li-bre (e-), pero también hay un segundo tipo de portador: el hueco (h+)

SEMICONDUCTOR INTRÍNSECOModelo de bandas de energía: Conducción intrínseca

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SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO

n: número de electrones (por unidad de volumen) en la banda de conducciónp: número de huecos (por unidad de volumen) en la banda de valenciani: concentración intrínseca de portadores

En un semiconductor perfecto, las concen-traciones de electrones y de huecos son iguales:

n = p = ni

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SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO

Efecto de la temperatura

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SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO

La densidad de estados es el núme-ro de estados electrónicos posibles por unidad de volumen y por unidad de energía.En un metal (los electrones son libres):

Puede considerarse como una función continua en EEstá expresión también será válida para un semi-conductor cristalino (electrones quasi-libres, ligados a un potencial periódico)Para adaptarla, se tiene que introducir EC, EV y m*

Función de distribución de Fermi-Dirac

Los electrones son fermiones, i. e., par-tículas que cumplen el principio de ex-clusión de Pauli Así, vendrán gobernados por la estadística de Fermi:

1

1

kT

EE F

e

Ef

f(E) es la probabilidad que un estado de energía E esté ocupado, EF es el nivel de Fermi, k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta.

Aproximación de Boltzmann

[4]

6 3)( ara p /exp1 cos

5 3 para /exp

kTEEkTEEEfEfhue

kTEEkTEEEfEfelectrones

FFp

FFc

http://jas2.eng.buffalo.edu/applets/education/semicon/fermi/functionAndStates/functionAndStates.html

SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS O DOPADOS

Los semiconductores extrínsecos se forman añadiendo pequeñas cantidades de impurezas a los semiconductores puros. El objetivo es modificar su comportamiento eléctrico al alterar la densidad de porta-dores de carga libres.Estas impurezas se llaman dopantes. Así, podemos hablar de semi-conductores dopados.

En función del tipo de dopante, obtendremos semiconductores dopados tipo p o tipo n.

Para el silicio, son dopantes de tipo n los elementos de la columna V, y tipo p los de la III

SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS O DOPADOS

SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS O DOPADOS

SEMICONDUCTOR TIPO N

En general, los elementos de la columna V convierten al Si en tipo n. Estos elementos tienen cinco electrones de valencia ensu última capa y se les llama impurezas dadoras.

SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS O DOPADOS

SEMICONDUCTOR TIPO P

En general, los elementos de la columna V convierten al Si en tipo n. Estos elementos tienen cinco electrones de valencia ensu última capa y se les llama impurezas dadoras.

SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS O DOPADOS

Densidad de portadores

En los semiconductores tipo n, los electrones son los portadores mayoritarios.En los semiconductores tipo p, los huecos son los portadores mayoritarios.La ley de acción de masas se cumple para semiconductores extrínsecos, en equilibrio térmico

nfE

ctes

g

.N ,Nvc 15

2

00 inpn

17 22

n

:ambas De

16 nq

:carga la de dneutralida lacumplir Para

2/1

2

2

0

00

i

ADAD

DA

nNNNN

NpqN

SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS O DOPADOS

Densidad de portadores

SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS O DOPADOS

Nivel de Fermi

21 exp

20 exp

0

0

pkT

EEnp

nkT

EEnn

Fi

i

iF

i