ELECTRÓNICA FÍSICAELECTRÓNICA FÍSICA

uu ObjetivoObjetivouu BasesBases del programadel programauu Estructura del programaEstructura del programauu BibliografíaBibliografíauu EvaluaciónEvaluación

uu Proporcionar una introducciProporcionar una introduccióón a las n a las propiedades de transporte de los propiedades de transporte de los semiconductores (estadsemiconductores (estadíística de electrones stica de electrones y huecos, dispersiy huecos, dispersióón de portadores, n de portadores, generacigeneracióón y recombinacin y recombinacióón de portadores n de portadores fuera de equilibrio).fuera de equilibrio).

uuMostrar cMostrar cóómo esas propiedades, junto con mo esas propiedades, junto con las las propiedades propiedades óópticaspticas, determinan las , determinan las caractercaracteríísticassticas, , eficienciaeficiencia y y limitacioneslimitaciones de de algunos algunos dispositivos electrdispositivos electróónicos y nicos y optoelectroptoelectróónicosnicos bbáásicos.sicos.

BasesBases del programadel programa de “de “Electrónica FísicaElectrónica Física””uu Contenido fijado por el DescriptorContenido fijado por el Descriptor

IntroducciónIntroducción a la a la físicafísica de de semiconductoressemiconductores y y dispositivos electrónicosdispositivos electrónicosuu OrdenOrden de la de la exposiciónexposiciónEstructuraEstructurade bandasde bandas

PropiedadesPropiedades de de transportetransporte

uu SelecciónSelección de de dispositivosdispositivos a a estudiarestudiar

Dispositivos Dispositivos electrónicoselectrónicos

uu Dispositivos básicosDispositivos básicos que que sirvensirven de base a de base a otrosotros

uu DispositivosDispositivos que que ilustranilustran la la influenciainfluencia de las de las propiedades físicas del materialpropiedades físicas del material

A) INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA DE A) INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA DE SEMICONDUCTORESSEMICONDUCTORES

Lección 1.- INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN A LAS PROPIEDADES DE N A LAS PROPIEDADES DE TRANSPORTE DE LOS SEMICONDUCTORES: TEORTRANSPORTE DE LOS SEMICONDUCTORES: TEORÍÍA A SEMICLSEMICLÁÁSICA.SICA.

Lección 2.- ESTADESTADÍÍSTICA DE ELECTRONES Y STICA DE ELECTRONES Y HUECOS.HUECOS.

Lección 3.- TEORTEORÍÍA GENERAL DE LAS PROPIEDADES A GENERAL DE LAS PROPIEDADES DE TRANSPORTE.DE TRANSPORTE.

Lección 4.- DISPERSIDISPERSIÓÓN DE LOS PORTADORES.N DE LOS PORTADORES.

Lección 5.- PORTADORES FUERA DE EQUILIBRIO.PORTADORES FUERA DE EQUILIBRIO.

B) FÍSICA DE LOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS B) FÍSICA DE LOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS BÁSICOSBÁSICOS

Lección 6.- EL DIODO TEL DIODO TÚÚNEL Y LAS HETEROUNIONES PNNEL Y LAS HETEROUNIONES PN

Lección 7.- DIODOS SCHOTTKY Y DISPOSITIVOS MOSDIODOS SCHOTTKY Y DISPOSITIVOS MOS

Lección 8.- DISPOSITIVOS GUNN.DISPOSITIVOS GUNN.

Lección 9.- CCÉÉLULAS SOLARES.LULAS SOLARES.

Lección 10.- FOTODETECTORES FOTODETECTORES

Lección 11.- DISPOSITIVOS EMISORES: LEDS.DISPOSITIVOS EMISORES: LEDS.EL DIODO PN Y EL DIODO TEL DIODO PN Y EL DIODO TÚÚNEL.NEL.

Lección 12.- LLÁÁSERES SEMICONDUCTORESSERES SEMICONDUCTORES

BIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍA

Física de semiconductores :- "Semiconductor physics", K. Seeger, Ed. Springer-Verlag, Berlín, 1982.- "Física del estado sólido y de semiconductores", J.P. McKelvey, Ed.Limusa, Méjico, 1976.- "Physics of semiconductors”, B. Sapoval, C. Hermann, Springer-Verlag, 1995.- "Semiconductor physical electronics", S.L. Sheng, Ed. Plenum Press,New York, 1993.- “Fundamentals of semiconductors”, P.Y. Yu y M. Cardona, Springer-Verlag, 1996.- "Basic semiconductor Physics", C. Hamaguchi, Springer-Verlag, Berlín 2001- "Physique des semiconducteurs et des composants électroniques", H.Mathieu, Masson, Paris, 1998.- "La physique des semiconducteurs", P. Kireev, Ed. Mir, Moscú, 1975.- "Física de los semiconductores", K.V. Shalimova, Ed. Mir, Moscú, 1975.

BIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍA

Dispositivos electrónicos: :- "Physics of semiconductor devices", S.N. Sze, Ed. John Wiley, New York, 1981.- "Fundamentos de electrónica física y microelectrónica", J.M. Albella, J.M. Martínez-Duart, Ed. Addison-Wesley/U.A. Madrid, 1996.- "Physique des semiconducteurs et des composants électroniques", H.Mathieu, Masson, Paris, 1998.

Dispositivos optoelectrónicos:

"Optical electronics", A. Yariv, Ed. Holt Saunders, 1985.- "Optoélectronique", E. Rosencher, B. Vinter, Ed. Masson, Paris, 1998- "Physics of semiconductor devices", S.N. Sze, Ed. John Wiley, New York, 1981. "Semiconductor laser physics", W.W. Chow, S.W. Koch, M. Sargent, Ed.Springer Verlag, Berlín, 1994

BIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍA

Física de los sólidos :

- "Solid state physics", N.W. Ashcroft, N.D. Mermin, Ed. Holt-Saunders, 1976.- "Introduction to solid state physics", C. Kittel, Ed. John Wiley, 1976.- "Solid state physics", H. Ibach, H. Lüth, Ed. Springer-Verlag, Berlín, 1995.- "Introduction to solid state theory", O. Madelung, Ed. Springer-Verlag, Berlín, 1981

EVALUACIÓNEVALUACIÓN

EXAMEN :Una parte de teoría, consistente básicamente en cuestiones (3/4) y otra de problemas (1/4). Se podrá presentar un trabajo bibliográfico para subir nota (hasta 1 punto).

TRABAJO/EXPOSICIÓNPresentación de un trabajo bibliográfico relacionado con los contenidos de

la asignatura y exposición pública de dicho trabajo. El tema del trabajo puede ser sobre un semiconductor y sus aplicaciones a dispositivos osobre un dispositivo con una introducción sobre los semiconductores quese usan en su fabricación.

B C N O

Al Si P S

Zn Ga Ge As Se

Cd In Sn Sb Te

Hg Tl Pb Bi Po

IIB IIIB IVB VB VIB

Semiconductores Semiconductores elementaleselementales Estructura diamante

Configuración sp3

B C N O

Al Si P S

Zn Ga Ge As Se

Cd In Sn Sb Te

Hg Tl Pb Bi Po

IIB IIIB IVB VB VIB

Semiconductores Semiconductores compuestoscompuestos

Estructura zinc-blenda

Configuración sp3IIIIII--V: V: GaAsGaAs, , InPInP, , GaNGaN, etc, etc

IIII--VI: VI: ZnSeZnSe, CdTe, , CdTe, HgSeHgSe, etc, etc

Estructura zinc-blenda

Configuración sp3

Coordinación tetraédricaEnlace

covalente

Estructura NaCl

Capas completas

Coordinación octaédricaEnlace iónico

GaAsGaAs, , ZnSeZnSe, , CuBrCuBr MgOMgO, , KClKCl

Ea

Ee

Eae

Enlace químicoEnlace químico

2

Estados

2

Antienlazante

Enlazante

Orbitales s del Orbitales s del carbono en la carbono en la molécula de molécula de

bencenobenceno

+ +

+ +

+ +

6 E6 E

+ +

- -

+ -

+ 0

0 -

+ -

4 E4 E

+ -

- +

+ +

+ 0

0 +

- -2 E2 E

- +

- +

+ -0 E0 E

Molécula deMolécula deBuckminsterBuckminster--fullerenofullereno

Banda de conducción(vacía)

Estructura electrónica Estructura electrónica de los semiconductoresde los semiconductores

Banda Banda prohibidaprohibida

Banda de Banda de valencia valencia (llena)(llena)

EECC

EEgg

EEVV

( )n N N ei C V

EkT

g

=−

12

)rU( = )R+rU(

)r( )kE(=)r()rU(+2m

= )r(H kk2

k

rrr

rrrrhrrrr ΨΨ

∆Ψ

2

)r(u = )R+r(u )r(ue = kkkr.ki

k

rrrrrrr

rr

rΨ

Estados electrónicos en el campo periódicoEstados electrónicos en el campo periódico

Funciones de Funciones de BlochBloch

Naturaleza química de las bandasNaturaleza química de las bandas

)r(ue = kr.ki

k

rr

rr

rΨ )rR(e =n

nR.ki

kn∑ +ΦΨ

rrrr

r

Centro de zona: k=0

Bandas “s”

Estado enlazante

)rR( =n

nk ∑ +ΦΨrr

r

+ +

a

+ + + + ++

Borde de zona: k=π/a

Bandas “s”

Estado antienlazante

( ) )rR(=n

nn

k ∑ +Φ−Ψrr

r 1

a

+ - + - + - -+

a

++ +- +-

+ + + + + +- - - -

Valor intermedio de k : 0<k<π/a

Centro de zona: k=0

Bandas “p”

Estado antienlazante

a

+ + + + + + ++

)rR( =n

nk ∑ +ΦΨrr

r

Borde de zona: k= π/a

Bandas “p”

Estado enlazante

a

+ - + - + - -+

( ) )rR(=n

nn

k ∑ +Φ−Ψrr

r 1

EECC

EEgg

EEVV

Estructura de bandas del silicio

Bandas “p”

Bandas “s”

(100) (010)

(001)

Banda Banda prohibidaprohibida

Banda de Banda de valencia valencia (llena)(llena)

EECC

EEgg

EEVV

Banda de conducción(vacía)

Estructura de bandas del silicio

Bandas “p”

Bandas “s”

E

k

Eg

Ev

Ec

mkE=)k(

CCC *

22

2hr

+ε

mkE=)k(

VVV *

22

2hr

−ε

GaAsGaAs ZnSeZnSe

InSe InSe ((EEgg=1.4 =1.4 eVeV)) GaSeGaSe ((EEgg=2.0 =2.0 eVeV))

GaSGaS ((EEgg=2.5 =2.5 eVeV))

B C N O

Al Si P S

Zn Ga Ge As Se

Cd In Sn Sb Te

Hg Tl Pb Bi Po

IIB IIIB IVB VB VIBC-d

(4 eV)BN

(4 eV)BeO

(5 eV)GaN

(3.3 eV)

Si (1,06 eV)

AlP(2,5eV)

MgS(4 eV)

GaP(2.0 eV)

Ge (0.66eV)

GaAs(1.4 eV)

ZnSe(2.6 eV)

GaAs(1.4 eV)

Sn(0,02 eV)

InSb(0.2 eV)

CdSe(2 eV)

GaSb(0.7 eV)

GaAsGaAs ZnSeZnSe

GaAsGaAs (directo)(directo) Si (indirecto)Si (indirecto)

E

k

Eg

Ev

Ec

k

E

EgEv

Ec

4.0

3.0

2.0

1.0

0.0

hν (eV)

GaN, ZnO

GaP

GaAsGaxAl1-xAsxP1-x

GaxIn1-xAsxSb1-x

GaxIn1-xN

SnxPb1-xSexTe1-x

Si

EmisiónEmisión DetecciónDetección

GaxIn1-xAsxGe

InSbHgxCd1-xTex

AplicacionesAplicaciones

TeledetecciónTeledetección

AnálisisAnálisis

ComunicacionesComunicacionesópticasópticas

AnálisisAnálisis

ZnSe, ZnTe

GaN, ZnO

λ (µm)0.3

0.4

0.6

1.0

2.0

10

AlN, BeO

LEDS y LEDS y láseres láseres de de GaNGaN