materiales semiconductores

MATERIALES SEMICONDUCTORES

Ulises VargasFebrero 4, 2016

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Introducción

• Principios fundamentales– La mayoría de los dispositivos fueron

inventados hace décadas y técnicas de diseño de 1930

– Diferencias en tamaño y velocidad de operación

– Sistemas completos aparecen en obleas miles de veces más pequeñas

Febrero 04, 2016 Facultad de Ingeniería, UNAM

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• HAY UNA LEY QUE ENUNCIA ESTOS CAMBIOS…Febrero 04, 2016 Facultad de Ingeniería, UNAM

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Ley de Moore

• La ley de Moore expresa que aproximadamente cada dos años se duplica el número de transistores en un microprocesador.

• La ley originalmente fue formulada para establecer que la duplicación se realizaría cada año, posteriormente Moore redefinió su ley y amplió el periodo a dos años.

• Es una ley empírica, formulada por el cofundador de Intel, Gordon E. Moore, el 19 de abril de 1965, cuyo cumplimiento se ha podido constatar hasta hoy.


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• Miniaturización limitada por:• Calidad del material semiconductor• Técnica de diseño de redes• Límites de equipo de fabricación y procesamiento


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Materiales semiconductores: Germanio, Silicio y Arseniuro de Galio

Germa

nio

•Primer semiconductor•1949: primer transistor•Disponible en grandes cantidades•Fácil de refinar•Sensible a los cambios de temperatura: Teoría de bandas

Silicio

•Refinación más complicada que el Ge•1954: primer transistor•Menos sensible a la temperatura•Gran disponibilidad•Procesos de fabricación estándar y más baratos que GaAs

Arseniuro

de Galio

•Operación (x5) más rápido que Si•1970 (inicios): primer transistor•Desarrollo de proceso de GaAs hace que actualmente se utilice en VLSI


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Estructura atómica, Silicio y Germanio


• Tienen propiedades únicas• Cuatro electrones de valencia y forman

una red cristalina donde los átomos sustituidos (dopantes) pueden cambiar drásticamente las propiedades eléctricas

• En estado puro pueden usarse como semiconductores intrínsecos

• El germanio tiene más electrones libres y mayor conductividad a mayor temperatura

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Cristales de Silicio y Germanio

• Los átomos forman enlaces covalentes y pueden cristalizar en una red regular como celosía de diamante. Este cristal se llama semiconductor intrínseco, y puede transportar una pequeña cantidad de corriente.

• El átomo tiene cuatro electrones que puede compartir en los enlaces covalentes con sus vecinos

Febrero 02, 2016

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Cristales de Si y Ge

• La ilustración de abajo muestra la altura del átomo en la celda unitaria

• El patrón de cristalización es el mismo que el diamante, con dos cubos interpenetrados de cara centrada y enlaces con los vecinos más próximos

• Un lado del cubo mide 0.543nm para el Si y 0.566 para el Ge


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Estructura cristalina del GaAs


• El Galio tiene 3 electrones de valencia y el Arsénico 5

• Sus átomos forman enlaces covalentes y se agrupan en un cristal cúbico centrado en las caras, similar a la estructura del Silicio

11Febrero 04, 2016 Facultad de Ingeniería, UNAM

Elementos para Material tipo P

Elementos para Material tipo N

Semiconductores populares

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Enlace covalente


• Los enlaces tienden a mantenerse con sus átomos padres en materiales intrínsecos

• Aún así, en Si se tienen hasta 1.5x10^10 portadores por cc [mL]

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Características de los Semiconductores


• Factor de movilidad relativa– Mide la capacidad de los electrones de moverse

por todo el material– Tiempos de respuesta 5 veces más rápidos en

GaAs que en Si

Semiconductor μn (cm2/Vs)Si 1500

Ge 3900

GaAs 8500

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Características de los Semiconductores


• Coeficiente de temperatura negativo: al elevarse la temperatura, los semiconductores rompen enlaces covalentes y hay mayor disponibilidad de portadores libres, contrario a los materiales conductores

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Teoría de bandas


Cuanto más alejado esté el electrón del núcleo, mayor es su estado de energía y cualquier electrón que haya abandonado a su átomo padre tiene un estado de energía mayor que todo electrón que permanezca en la estructura atómica

16Febrero 02, 2016 Facultad de Ingeniería, UNAM

Teoría de bandasLa gran banda de energía en los materiales aislantes indica que a temperaturas ordinarias los electrones no alcanzarán el nivel de conducción

En los semiconductores la brecha energética es tan pequeña que la energía térmica puede puentear la brecha para una pequeña fracción de los electrones

En los conductores no hay brecha energética porque la banda de valencia se sobrepone a la banda de conducción

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Teoría de Bandas en metales

• Los metales son buenos conductores de la electricidad , ya que sus electrones de valencia están libres

• Las bandas de conducción y de valencia están sobrepuestas y una fracción de los electrones de valencia puede moverse a través del material


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Teoría de Bandas en semiconductores• A temperatura finita, el número de electrones que

alcanzan la banda de conducción y contribuyen a la corriente se puede modelar con la función de Fermi

• Esta corriente es pequeña comparada con los semiconductores dopados bajo las mismas condiciones


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Dopado de semiconductores


• La adición de un porcentaje mínimo de átomos en la red cristalina del semiconductor produce enormes cambios en sus propiedades eléctricas, y genera materiales tipo p y tipo n

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Materiales tipo p y tipo n

• Los átomos de impurezas con 5 electrones de valencia (pentavalentes), producen semiconductores de tipo n por la contribución de electrones extras

• Los átomos trivalentes producen semiconductores de tipo p por la producción de un “hueco” o falta de electrón


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Semiconductor tipo n• Generado con impurezas de átomos

pentavalentes como antimonio, arsénico y fósforo

• Aporta electrones libres y aumenta la conductividad del semiconductor intrínseco

• Permanecen enlaces covalentes y electrón de átomo donador

• Permanece neutro• Tiene electrones muy cerca de la

banda de conducción y pueden excitarse fácilmente


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Material tipo p• Generado con impurezas de átomos

trivalentes como boro, galio e indio• Los electrones son insuficientes para

completar los enlaces covalentes• Se genera un hueco• El hueco acepta fácilmente

electrones• Los huecos adicionales permiten la

excitación de los electrones de la banda de valencia


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¿PREGUNTAS?


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Cuestionario


• Defina:– Material intrínseco– Coeficiente de temperatura negativo– Enlace covalente

• Describa la diferencia entre los materiales tipo p y tipo n

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Referencias

• BOYLESTAD, R., NASHELSKY, L.; Electrónica Teoría de Circuitos y dispositivos electrónicos; 10a edición; México; Prentice Hall, 2010.

• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solcon.html


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