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Tema 2: Fundamentos de los materiales semiconductores (estructura sólidos,
enlaces, bandas de energía, interacción semiconductor y energía, semiconductores empleados, dopado de semiconductores). Semiconductores cristalinos, policristalinos
y amorfos. Crecimiento cristalino.
Lecturas recomendadas:‐ http://ocw.ehu.es/ensenanzas‐tecnicas/electronica‐general/teoria/tema1
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Estructura electrónica de los átomos: modelo de Bohr
‐ Los electrones se mueven en órbitas circulares discretas sin radiar energía.
‐ El momento angular de los electrones es un múltiplo natural, n, de (h/2) donde, h =6.62∙10‐34J∙s, es la constante de Planck.
‐ Los electrones tienden a ocupar el estado más bajo de energía desocupado.
‐ Cuando un electrón decae desde un estado de energía E2 hasta un estado de energía E1 emite un fotón (cuanto de energía), h = E2‐E1
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Correcciones al modelo de Bohr
‐ El modelo de Bohr no justifica la formación de enlaces electrónicos y sólo incluía el número cuántico principal (n), que toma valores naturales. Posteriormente se agregan tres números cuánticos adicionales:
‐ El número cuántico secundario o azimutal (l). Toma valores desde 0 hasta n‐1. Determina la forma espacial de la zona (orbitales) en la cual probablemente se encuentra un determinado electrón.
‐ El número cuántico magnético (m). Toma valores desde ‐l (pasando por cero) hasta +l. Indica la orientación de los orbitales en los ejes cartesianos.
‐ El número cuántico de spin (s). Puede tomar dos valores: +1/2 y ‐1/2. Indica el sentido de giro del electrón sobre si mismo.
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Principio de exclusión de Pauli
‐ No puede haber dos electrones ocupando el mismo estado cuántico, descrito por un mismo conjunto de números cuánticos, n, l, m y s.
11s 2s 2p 3s 3p 3d
1 H 1 1s1
2 He 2 1s2
3 Li 2 1 1s2 2s1
4 Be 2 2 1s2 2s2
5 B 2 2 1 1s2 2s2 2p1
6 C 2 2 2 1s2 2s2 2p2
7 N 2 2 3 1s2 2s2 2p3
8 O 2 2 4 1s2 2s2 2p4
9 F 2 2 5 1s2 2s2 2p5
10 Ne 2 2 6 1s2 2s2 2p6
11 Na 2 2 6 1 1s2 2s2 2p6 3s1
12 Mg 2 2 6 2 1s2 2s2 2p6 3s2
13 Al 2 2 6 2 1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
14 Si 2 2 6 2 2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
15 P 2 2 6 2 3 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
16 S 2 2 6 2 4 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
17 Cl 2 2 6 2 5 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
18 Ar 2 2 6 2 6 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
Z Name Notation2 3
# of Electrons
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SEMICONDUCTORES ELEMENTALES
• Estructura atómica del Carbono (6 electrones):1s2 2s2 2p2
• Estructura atómica del Silicio (14 electrones):1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
• Estructura atómica del Germanio (32 electrones):1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2
4 electrones en la última capa
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SEMICONDUCTORES
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Los semiconductores son materiales de conductividad intermedia entre la de los metales y la de los aislantes:
Material: CONDUCTOR SEMICONDUCTOR AISLANTE
Resitividad típica (/cm): 10‐10 10‐8 10‐6 106 1010 1020
Su conductividad puede modificarse en gran medida por variaciones de la temperatura, mediante excitación óptica y/o la
inclusión de determinadas impurezas.
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Materiales semiconductores:
• Semiconductores elementales: germanio (Ge), silicio (Si)
• Compuestos IV: SiC, SiGe
• Compuestos III‐V:
– Binarios: GaAs, GaP, GaSb, GaN, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP, InSb
– Ternarios: GaAsP, AlGaAs
– Cuaternarios: InGaAsP
• Compuestos II‐VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, CdS, CdSe, CdTe
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Estructura electrónica del silicio
‐ 10 electrones interiores (fuertemente ligados: 1S2; 2S2; 2P6)
‐ 4 electrones (débilmente ligados, responsables de la mayoría de las propiedades químicas: 3S2; 3P2)
‐ Para minimizar la energía los orbitales 3S y 3P se hibridan para formar un orbital tetraédrico SP3
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El cristal de silicio
‐ Cada átomo de Si tiene 4 vecinos próximos
‐ Red cristalina del diamante
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ESTRUCTURAS CRISTALINAS
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ORIENTACIONES CRISTALINAS
x
y
za
x
y
za
x
y
za
[100][110]
[111](100) plane (110) plane
(111) plane
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ORDENACIÓN ATÓMICA
amorfo policristalino cristalino
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Distancia interatómica
Estados discretos(átomos aislados)
Carbono (6 electrones) 1s2, 2s2, 2p2
Origen de las bandas de energía
‐ 2s2‐
Banda de estados
2p2
4 estados vacíos
‐ ‐
1s2‐‐
Banda de estados
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NIVELES DE ENERGÍA
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METALES, AISLANTES Y SEMICONDUCTORES
Eg
Banda de valencia
Banda de conducción
AislanteEg=5‐10eV
SemiconductorEg=0,5‐2eV
Eg
Banda de valencia
Banda de conducción
Banda de valencia
ConductorNo hay “gap”
Banda de conducción
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SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
Temperaturas bajas Temperaturas elevadas
‐ Concentración intrínseca:
‐ Aplicación: TERMISTORES
/
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SEMICONDUCTORES TIPO N: DONANTES
Electrón libre
‐ Concentración de electrones: n = ND
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SEMICONDUCTORES TIPO P: ACEPTORES
‐ Concentración de huecos: p = NA
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LEY DE ACCIÓN DE MASAS
‐ En equilibrio térmico: n0∙p0 = (ni)2
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Portadores MAYORITARIOS y MINORITARIOS
Tipo N Tipo P
Mayoritarios: n0 = ND Mayoritarios: p0 = NA
Minoritarios: p0 = (ni)2/ND Minoritarios: n0 = (ni)2/NA
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FOTOCONDUCTORES
(1): h Eg(2) y (3): ED, EA ~ kT
Generación (y recombinación) por parejas e ‐‐h+
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FABRICACIÓN DE OBLEAS: SILICIO
Silicio grado metalúrgico Destilación en fase gaseosa Condensación a partir del vapor (grado solar) Purificación del silicio Crecimiento cristalino
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HORNO INDUSTRIAL DE ARCO DE CARBÓN
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SILICIO GRADO METALÚRGICO: 99% PUREZA
SiO2 + C SiO + COSiO + 2C SiC + CO (T > 1500C)SiC + SiO2 Si + SiO + CO (T > 1780C)
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COLUMNAS DE DESTILACIÓN DEL TRICLOROSILANO
Si + 3HCl SiHCl3 + H2
Depósito de Si policristalinoa partir del SiHCl3 a alta temperatura:
2SiHCl3 Si + 2HCl + SiCl4
(proceso Siemens de CVD en una varilla/semilla de Si policristalino)
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MÉTODO DE CZOCHRALSKI
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MÉTODO DE CZOCHRALSKI
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PURIFICACIÓN POR ZONAS
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CORTE DE OBLEAS
lingotes
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PULIDO DE OBLEAS
Adelgazamiento ‐ pulido mecánico ‐ pulido químico
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ORIENTACIONES
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TAMAÑO DE OBLEAS
100mm
150mm
200mm 300mm450mm