Elementos ActivosEL-2207

Tema: Semiconductores

Ing. Adolfo Chaves Jiménez

Materiales Semiconductores

Clasificación General Ejemplos Especificos

Semiconductores simples Si, Ge

Compuestos III-VAlP, AlAs, AlSb, GaN, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb

Compuestos II-VIZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS

AleacionesAlxGa1-xAs, GaAs1-xPx, Hg1-xCdxTe, GaxIn1As1-yPy

Clasificación de los sólidos basado en grado de orden atómico

Columna IV

III VII VI

Clasificación basado en el grado de orden atómico

Amorfo Policristalino Cristalino

Imágenes basadas en:

www.msm.cam.ac.uk/doitpoms/tlplib/AD3/defects.php

Ejemplo:

Pantallas de cristal líquido (Si amorfo)

Ejemplo:

Puertas de Si policristalino en MOSFET

Ejemplo:

Formaciones de Si puro

Estructura del silicio Redes de semiconductores

Tomado de:http://www.sv.vt.edu/classes/ESM4714/Student_Proj/class94/adamzeakes/lattice.html

Silicio

5.43 Ǻ (10-8cm)

Red cristalina de silicio

Referencia:http://www.webelements.com/webelements/scholar/elements/silicon/structure.html

Estructura cristalina de silicio (Orientación 1,0,0)

Estructura cristalina de silicio (orientación 1,1,0)

Estructura cristalina de silicio (orientación 1,1,1)

Modelo de enlace en semiconductores

Cada línea representa un electrón de valencia compartido

Átomo único

Silicio

Modelo 3D

Modelo de Enlace

Cada círculo representa la estructura interna del átomo semiconductor (Ej Silicio)

-Enlace covalente

-Modelo válido a T= 0K

Representaciones en el modelo de enlace

Representación de la liberación de un electrón

Representación de un átomo faltante

Modelo de bandas de energía

Ec

Ev

Esuperior

Einferior

Casi

lleno

Casi

vacío

E

Energía del electrón (eV)

x

EG

A T=0K

Modelo simplificado de bandas de energía

Ec

Ev

Ec: Mínima energía para pasar a la banda de conducción

Ev: Máxima energía para permanecer en la banda de valencia

Desplazamiento en el cristalX

Y

Nivel de

Energía

*Diferencia de materiales: anchura de banda prohibida

Representaciones en modelo de bandas

Ec

Ev

Ec

Ev

Ec

Ev

Completamente lleno

vacío

Sin portadores Pérdida del electrón Hueco resultante

Modelo de bandas para distintos tipos de materiales

Ec

Ev

Ec

Ev

Ec

Ev

Pocos electrones

ampliaEg~8 eV (SiO2)

Eg~8 eV (Diamante)

Eg~1.42 eV (GaAs)

Eg~1.12 eV (Si)

Eg~ 0.66 eV (Ge)

Ec

Ev

Muy estrecha

Superpuesta

Aislantes Semiconductores Metales

Propiedades de los portadores

• Carga

• Masa efectiva

• Concentración de portadores de un material intrínseco

Propiedades de los portadores: Carga

• q=1.6x10-19 Coulomb

• q+: Protón

• q-: Electrón

Propiedades de los portadores: Masa Efectiva

dt

dvmqEF 0

dt

dvmqEF n*

Electrón en el vacío

Electrón en material semiconductor

Masa efectiva para la densidad de estados a 300 K

Material mn*/m0 mp

*/m0

Si 1.18 0.81

Ge 0.55 0.36

GaAs 0.066 0.52

Dopado: Dopantes comunes de silicio

Donadores (elementos columna V)

Aceptadores(elementos columna III)

P B

As Ga

SbIn

Al

Acción donadora y aceptadora

P+ B-

Acción donadora

Acción aceptadora

Energía de enlaces para dopantes comunes

Donadores |EB|

(eV)

Aceptadores |EB|

(eV)

Sb 1.18 B 0.045

P 0.55 Al 0.067

As 0.066 Ga 0.072

In 0.16

Terminología relacionada con los portadores: Dopantes

• Átomos de impureza específicos que se añaden a los semiconductores en dosis controladas, para incrementar las concentraciones de electrones o de huecos

P+ B-

Terminología relacionada con los portadores: Semiconductor intrínseco

• Semiconductor no dopado consistente en material semiconductor extremadamente puro, que contiene cantidades insignificantes de átomos de impureza

Terminología relacionada con los portadores: Semiconductor extrínseco

• Semiconductor dopado, cuyas propiedades son modificadas debido a los átomos de inpureza añadidos

P+

B-

Terminología relacionada con portadores: Donador

• Átomo de impurezas que incrementa la concentración de electrones. Dopante tipo n

P+

Terminología relacionada con los portadores: Aceptador

B-

• Átomo de impurezas que incrementa la concentración de huecos. Dopante tipo p

Terminología relacionada con los portadores: Material tipo n

• Material dopado con donadores; un semiconductor que contiene más elecrones que huecos

P+

Terminología relacionada con semiconductores: material tipo p

• Material dopado con aceptadores; un semiconductor que contiene más huecos que electrones

B-

La función de FermiProbabilidad de ocupación de un electrón

kTEE feEf /)(1

1)(

EF= energía de Fermi/Nivel de Fermi

K= constante de Boltzman (k=8.62 x 10-5 eV/K)

T= Temperatura (en Kelvins)

La función de Fermi: Caso puntual T=0K

• Para E<EF

• Para E>EF

11

1)(/)( /)(

kTEEFF fe

EEfkTEE

01

1)(/)( /)(

kTEEFF fe

EEfkTEE

EF

1/2

1f(E

)

E

* Todos los electrones están por debajo del nivel de Fermi

La función de FermiCaso General T>0K

2/1)( FF EfEE

kTEE

kTEEF

f

f

eEf

ekTEE/)(

/)(

)(

13

kTEE

kTEEF

f

f

eEf

ekTEE/)(

/)(

1)(

13

EF

1/2

1

f(E

)

EEF-3kT EF+3kT

Casos:

kTEE feEf /)(1

1)(

La función de Fermi:Variación con la temperatura

Fuente:http://fermidiracstatistics.quickseek.com/

El aumento de temperatura produce mayor probabilidad de ocupar estados superiores de energía

kTEE feEf /)(1

1)(

Expresiones para la concentración de electrones y huecos

kTEEi

kTEEi

Fi

iF

enp

enn/)(

/)(

• Donde:– ni: Concentración intrínseca de portadores– Ei: Nivel intrínseco de Fermi– EF: Nivel de Fermi– n: concentración de electrones– p: concentración de huecos

Concentración de protones y electrones y su relación con la concentración intrínseca

2innp

• Donde:– ni: Concentración intrínseca de portadores– p: Concentración de huecos– n: Concentración de electrones

Ecuación de neutralidad de carga

• ND=número total de átomos donadores o impurezas/cm3

• NA=número total de átomos aceptadores o impurezas/cm3

0 AD NNnp