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Dispositivos ElectrnicosSemiconductores

IntroduccinConductores, Semiconductores y AislantesMovimiento de la carga elctrica para el metalMovimiento de la carga elctrica para el semiconductorAnlisis del semiconductor intrnsecoConcentracin intrnseca Nivel de FermiSemiconductores extrnsecosNivel de Fermi para cristal extrnseco IntroduccinSin lugar a dudas, el estudio de las propiedades fsicas de los materiales semiconductores y sus sorprendentes aplicaciones en el desarrollo tcnico de dispositivos elctricos, representan una de las revoluciones cientfico-tecnolgicas de mayor impacto sobre nuestra sociedad. Para tener una idea de la real magnitud de esta revolucin pensemos por un momento en los transistores, probablemente la aplicacin tecnolgica ms importante de los semiconductores. Cualquier habitante del mundo moderno se encuentra rodeado cotidianamente por millones de transistores. Estn en el televisor, en el equipo de msica, en la mquina de lavar, en el reloj de pulsera, en el telfono celular. Un computador personal puede llegar a tener algunos miles de millones de transistores. De hecho, en el mundo existen muchos ms transistores que personas. Pero, naturalmente, una cosa es usar esta tecnologa y otra muy distinta es entender como opera, la cual ser nuestro objetivo en este capitulo.Conductores, Semiconductores y AislantesExisten enfoques, basados en la teora de bandas, que nos permiten entender los fenmenos de conductividad elctrica y trmica en los materiales slidos. Estos enfoques son capaces de explicar, por ejemplo, las diferencias tan enormes en las resistividades elctricas de tales materiales.

Formacin de bandas de energa como funcin de la separacin de los tomos. Si existen muchos tomos cada nivel de energa se divide en un conjunto casi continuo de niveles que constituyen una banda.Conductor es toda sustancia en que la energa del primer estado electrnico vaco se encuentra inmediatamente adyacente a la energa del ltimo estado electrnico ocupado. En otros trminos, un conductor es un material en el cual la ltima banda ocupada no est completamente llena. Aislador es toda sustancia en que la energa del primer estado electrnico vaco se encuentra separada, por una brecha finita, de la energa del ltimo estado electrnico ocupado. Semiconductor es un material aislador en que el ancho de banda prohibida es menor que 1eV.

Metales, semiconductores y aisladores desde el punto de vista de la teora de bandas. Movimiento de la carga elctricaEn ausencia de un campo elctrico externo: movimiento aleatorio (colisiones con el entorno) sin direccin espacial preferente.

Movimiento aleatorio de electronesEn presencia de un campo elctrico externo, E: la carga elctrica se desplaza por el material por medio de colisiones con el entorno y en una direccin resultante paralela a E.

Para el semiconductor:

Anlisis del Semiconductor IntrnsecoLos elementos semiconductores por excelencia son el silicio y el germanio, aunque existen otros elementos como el estao, y compuestos como el arseniuro de galio que se comportan como tales.

Silicio en modelo BidimensionalVemos como cada tomo de silicio se rodea de sus 4 vecinos prximos con lo que comparte sus electrones de valencia.Ahora bien, si aumentamos la temperatura, aumentar por consiguiente la energa cintica de vibracin de los tomos de la red, y algunos electrones de valencia pueden absorber de los tomos vecinos la energa suficiente para liberarse del enlace y moverse a travs del cristal como electrones libres. Su energa pertenecer a la banda de conduccin, y cuanto ms elevada sea la temperatura ms electrones de conduccin habr, aunque ya a temperatura ambiente podemos decir que el semiconductor acta como conductor.

Si un electrn de valencia se convierte en electrn de conduccin deja una posicin vacante, y si aplicamos un campo elctrico al semiconductor, este hueco puede ser ocupado por otro electrn de valencia, que deja a su vez otro hueco. Este efecto es el de una carga +e movindose en direccin del campo elctrico. A este proceso le llamamos generacin trmica de pares electrn-hueco.

Densidad de portadores

Funcin de distribucin de Fermi - DiracLos electrones son fermiones, partculas que cumplen el principio de exclusin de Pauli. As, vendrn gobernados por la estadstica de Fermi:

Un estado con energa E>EF tendr mas posibilidades de ser ocupado a mayor temperatura. A una temperatura T, la probabilidad de ocupacin disminuye si aumenta la energa Para cualquier T, la probabilidad de encontrar un electrn con una energa EF es 1/2. A T=0, la probabilidad de encontrar un electrn con E>EF es 0 y con E

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

Nos indica como varia las probabilidades de distribucin de Fermi para un semiconductor intrnsecoSemiconductores extrnsecosLos semiconductores extrnsecos se forman aadiendo pequeas cantidades de impurezas a los semiconductores puros. El objetivo es modificar su comportamiento elctrico al alterar la densidad de portadores de carga libres. Estas impurezas se llaman dopantes. As, podemos hablar de semiconductores dopados. En funcin 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 tipo n y tipo pTipo n:

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

17Tipo p:

En general, los elementos de la columna III convierten al Si en tipo p. Estos elementos tienen tres electrones de valencia en su ltima capa y se les llama impurezas aceptoras.

Densidad de carga en semiconductores extrnsecosEn los semiconductores tipo n, los electrones son los portadores mayoritarios. En los semiconductores tipo p, los huecos son los portadores mayoritarios. La ley de accin de masas se cumple para semiconductores extrnsecos, en equilibrio trmico.

Para cumplir la neutralidad de la carga:

De las ecuaciones anteriores:

Para un semiconductor tipo n:

Para un semiconductor tipo p:

Nivel de Fermi para material extrnseco

Bibliografa:http://fisicauva.galeon.com/aficiones1925812.htmlhttp://fisicauva.galeon.com/aficiones1925813.htmlhttp://www.sabelotodo.org/electrotecnia/dispossemicond.htmlhttp://www4.ujaen.es/~egimenez/FUNDAMENTOSFISICOS/semiconductores.pdfhttp://www.etitudela.com/Electrotecnia/downloads/introduccion.pdfhttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/fermi.htmlhttp://www.uv.es/candid/docencia/ed_tema-02.pdfhttp://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/condsemicondais2_27505.pdfhttp://www.uclm.es/profesorado/maarranz/Documentos/MaterialesT7.pdfApuntes en clase