SEMICONDUCTORES 
Presentado por: 
Luis Alberto Carpio Nuñez. 
11/11/2014
Descubrimiento de los semiconductores y primeras aplicaciones 
1782 A. Volta Introduce la palabra “semiconductor” 
1833 M....
1956 Bardeen, Brattain e Shockley reciben el premio Nobel por la descubrimiento del transistor. 
1956 
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Materiales semiconductores 
Diferencias conductor – semiconductor 
Semiconductores. Conducción intrínseca y 
extrínseca ...
Diferencias conductor – semiconductor 
Influencia de la temperatura en la resistencia 
11/11/2014 
108 (m)-1 
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Efecto Hall 
En conductores 
En semiconductores: silicio dopado con galio 
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Variación de la conductividad por iluminación 
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Frecuencia radiación 
Energía de los fotones 
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Estructura de un metal 
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Estructura de un semiconductor 
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Semiconductores. Conducción intrínseca 
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rE 
Ge 
= A 300 K: 1e– cada 109 
átomos, 1019 e–/m3 
T  0 K 
Concentr...
Semiconductores. Conducción extrínseca 
e– poco ligado 
(0.03 -0.1 eV) 
e– ocupa el hueco 
(0.04 -0.12 eV) 
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Donadores y aceptores para el silicio 
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Donadores y aceptores para el germanio 
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Li 
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Be 
9,012 
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B 
10,811 
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Estructura electrónica 
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Estados o niveles de 
energía permitidos 
ENERGÍA DEL e- 
p + 
Hidrógeno 
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Modelo de bandas de energía 
2p² 
Niveles ocupados 
Grafito Diamante Átomos aislados 
X3 X2 X1 
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Niveles v...
Modelo de bandas de energía 
(continuación) 
BC 
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BV 
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Aislante Semicondu...
Modelo de bandas de energía. 
Conducción intrínseca 
Banda de conducción 
Banda prohibida 
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Eg 
Eg (Ge)  0,7 e...
Modelo de bandas de energía. 
Conducción extrínseca (tipo n) 
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0.01 eV 
T > 0 K 
Nivel donante 
T = 0 K 
E 
Ión...
Modelo de bandas de energía. 
Conducción extrínseca (tipo p) 
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Nivel aceptor 
E 
0,01 eV 
T = 0 K T > 0 K Ión d...
Ley de acción de masas 
n·p = ni 
n: número de electrones por unidad de volumen 
p: número de huecos por unidad de volumen...
Ley de la neutralidad eléctrica 
 NA + n = ND + p 
 Intrínseco  NA = ND = 0  p = n = ni 
 Tipo n  NA = 0; n  ND  
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Concentraciones de portadores 
NA + n = p ; p >>>>> n; NA  p 
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P 
N 
Iones de impureza aceptora INMÓVIL 
Hueco...
Propiedades del germanio y el 
silicio 
11/11/2014 
Ge Si 
Número atómico 32 14 
Masa atómica (g/mol) 72,6 28,08 
Radio at...
Conductividad de semiconductores 
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Corrientes de desplazamiento 
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Corrientes de desplazamiento en SC 
Intrínsecos 
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s = qe(nn + pp) 
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Corrientes de difusión 
Ley de Fick 
   
Ley de Ohm 
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Corrientes de difusión (continuación) 
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Variación de potencial en un 
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uniforme 
p(x p(x2) 1) 
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p = p(x) 
x2 x1 
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semiconductor con dopado no 
uniforme (continuación) 
VT    VT(300 K) = 25.85 mV 
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  1. 1. SEMICONDUCTORES Presentado por: Luis Alberto Carpio Nuñez. 11/11/2014
  2. 2. Descubrimiento de los semiconductores y primeras aplicaciones 1782 A. Volta Introduce la palabra “semiconductor” 1833 M. Faraday Descubre que la conductividad de algunos materiales aumenta con T 1874 F. Braun Primer diodo de vacío 1897 J.J. Thomson Descubrimiento del electrón Descubre que la corriente eléctrica en los metales es debida al movimiento de los electrones 1901 V. E. Riecke 1903 J. Koenigsberg Postula que la resistividad de los semiconductores depende de T Programa de búsqueda para sustituir los conmutadores electromecánicos con otros basados en semiconductores. 11/11/2014 1936 Bell T. Laboratories Propone una teoría de bandas del sólido y el concepto de impurezas donadoras y aceptoras. 1931 A. Wilson 1931 W. Heisenberg Concepto de hueco como quasi-partícula de carga positiva 1939 Shockley: dispositivo amplificador basado en semiconductores 1940 Primer fotodiodo basado en la unión p/n de silicio 1947 Invención del transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley ) 1948 Primera radio de transistor Western Electric: primer transistor comercial (amplificador para auriculares para sordos) 1951
  3. 3. 1956 Bardeen, Brattain e Shockley reciben el premio Nobel por la descubrimiento del transistor. 1956 1956 1956 1956 11/11/2014
  4. 4. Materiales semiconductores Diferencias conductor – semiconductor Semiconductores. Conducción intrínseca y extrínseca Modelo de bandas de energía Ley de acción de masas Ley de la neutralidad eléctrica Corrientes de desplazamiento Corrientes de difusión 11/11/2014
  5. 5. Diferencias conductor – semiconductor Influencia de la temperatura en la resistencia 11/11/2014 108 (m)-1 Cu s T Efecto Hall Fotoresistencia T 106 (m)-1 s Ge
  6. 6. Efecto Hall En conductores En semiconductores: silicio dopado con galio 11/11/2014 VH J va F B  -VH J va F B
  7. 7. Variación de la conductividad por iluminación 11/11/2014 luz Frecuencia radiación Energía de los fotones Fotoconductividad del Ge A
  8. 8. Estructura de un metal 11/11/2014 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1029 e- libres/m3
  9. 9. Estructura de un semiconductor 11/11/2014
  10. 10. Semiconductores. Conducción intrínseca 11/11/2014 rE Ge = A 300 K: 1e– cada 109 átomos, 1019 e–/m3 T  0 K Concentración de e-: (n) Concentración de h : (p) n = p
  11. 11. Semiconductores. Conducción extrínseca e– poco ligado (0.03 -0.1 eV) e– ocupa el hueco (0.04 -0.12 eV) 11/11/2014 tipo P Ga tipo N A s Átomo donador P,As,Sb: (ND) rE Átomo aceptor B,Al,Ga,In: (NA) Portadores mayoritarios: n  1022/m3 Portadores minoritarios: p  1016/m3 Portadores mayoritarios: p  1022/m3 Portadores minoritarios: n  1016/m3
  12. 12. Donadores y aceptores para el silicio 11/11/2014 1 H 1,008 2 He 4,003 3 Li 6,941 4 Be 9,012 5 B 10,811 6 C 12,011 7 N 14,007 8 O 15,999 9 F 18,998 10 Ne 20,183 11 Na 22,990 12 Mg 24,305 13 Al 26,982 14 Si 28,086 15 P 30,974 16 S 32,064 17 Cl 35,453 18 Ar 39,948 19 K 39,10 20 Ca 40,08 ... 30 Zn 65,37 31 Ga 69,72 32 Ge 72,59 33 As 74,92 34 Se 78,96 35 Br 79,91 36 Kr 83,80 37 Rb 85,47 38 Sr 87,62 ... 48 Cd 112,40 49 In 114,82 50 Sn 118,89 51 Sb 121,75 52 Te 127,60 53 I 126,90 54 Xe 131,30 55 Cs 132,91 56 Ba 137,33 ... 80 Hg 200,59 81 Tl 204,37 82 Pb 207,19 83 Bi 208,98 84 Po (210) 85 At (210) 86 Rn (222)
  13. 13. Donadores y aceptores para el germanio 11/11/2014 1 H 1,008 2 He 4,003 3 Li 6,941 4 Be 9,012 5 B 10,811 6 C 12,011 7 N 14,007 8 O 15,999 9 F 18,998 10 Ne 20,183 11 Na 22,990 12 Mg 24,305 13 Al 26,982 14 Si 28,086 15 P 30,974 16 S 32,064 17 Cl 35,453 18 Ar 39,948 19 K 39,10 20 Ca 40,08 ... 30 Zn 65,37 31 Ga 69,72 32 Ge 72,59 33 As 74,92 34 Se 78,96 35 Br 79,91 36 Kr 83,80 37 Rb 85,47 38 Sr 87,62 ... 48 Cd 112,40 49 In 114,82 50 Sn 118,89 51 Sb 121,75 52 Te 127,60 53 I 126,90 54 Xe 131,30 55 Cs 132,91 56 Ba 137,33 ... 80 Hg 200,59 81 Tl 204,37 82 Pb 207,19 83 Bi 208,98 84 Po (210) 85 At (210) 86 Rn (222)
  14. 14. Estructura electrónica 11/11/2014 Estados o niveles de energía permitidos ENERGÍA DEL e- p + Hidrógeno +6 6Carbono: 1s2 2s2 2p2 aislante 14Silicio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 32Germanio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s24p2 semiconductores 50Estaño: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s24p64d105s25p2 conductor
  15. 15. Modelo de bandas de energía 2p² Niveles ocupados Grafito Diamante Átomos aislados X3 X2 X1 11/11/2014 2s² Niveles vacíos d E BANDA DE CONDUCCIÓN BANDA PROHIBIDA BANDA DE VALENCIA
  16. 16. Modelo de bandas de energía (continuación) BC Eg = 1 eV 11/11/2014 BC Eg = 10 eV BV BV BC BV Aislante Semiconductor Conductor Eg(Si) = 1,12 eV Eg(Ge) = 0,66 eV T = 300 K
  17. 17. Modelo de bandas de energía. Conducción intrínseca Banda de conducción Banda prohibida 11/11/2014 Eg Eg (Ge)  0,7 eV Eg (Si)  1,1 eV E T = 0 K Banda de valencia T > 0 K n = p = ni
  18. 18. Modelo de bandas de energía. Conducción extrínseca (tipo n) 11/11/2014 0.01 eV T > 0 K Nivel donante T = 0 K E Ión de impureza donante
  19. 19. Modelo de bandas de energía. Conducción extrínseca (tipo p) 11/11/2014 Nivel aceptor E 0,01 eV T = 0 K T > 0 K Ión de impureza aceptora Huecos en la BV
  20. 20. Ley de acción de masas n·p = ni n: número de electrones por unidad de volumen p: número de huecos por unidad de volumen ni: concentración intrínseca ni(Ge, 300 K) = 2,4·1019 port./m3 ni(Si, 300 K) = 1,5·1016 port./m3 11/11/2014 2 E 2kT 3 2 i g n f(t) AT e   
  21. 21. Ley de la neutralidad eléctrica  NA + n = ND + p  Intrínseco  NA = ND = 0  p = n = ni  Tipo n  NA = 0; n  ND   Tipo p  ND = 0; p  NA  11/11/2014 2 i N D n p  2 i N A n n 
  22. 22. Concentraciones de portadores NA + n = p ; p >>>>> n; NA  p 11/11/2014 P N Iones de impureza aceptora INMÓVIL Hueco dejado por electrón MÓVIL Electrón térmico MÓVIL Hueco térmico MÓVIL Iones de impureza dadora INMÓVIL Electrón liberado por dador MÓVIL Electrón térmico MÓVIL Hueco térmico MÓVIL ND + p = n ; n >>>>> p; ND  n
  23. 23. Propiedades del germanio y el silicio 11/11/2014 Ge Si Número atómico 32 14 Masa atómica (g/mol) 72,6 28,08 Radio atómico (nm) 0,137 0,132 Estructura electrónica [Ar]4s23d104p2 [Ne]3s23p2 Densidad kg/m3 5323 2330 Temperatura de fusión 937,4 ºC 1410 ºC Calor específico J/kg·ºC 309 677 Concentración atómica at/m3 4,42·1028 4,96·1028 Concentración intrínseca (300 K) 2,36·1019 m-3 1,5·1016 m-3 Constante A m-3·K-3/2 1,91·1021 4,92·1021 Anchura banda prohibida (300 K) 0,67 eV 1,1 eV Movilidad electrones (300 K) 0,39 m2/Vs 0,135 m2/Vs Movilidad huecos (300 K) 0,182 m2/Vs 0,05 m2/Vs Resistividad intrínseca (300 K) 0,47 m 2300 m Difusividad electrones 10,1·10-3 m2/s 3,5·10-3 m2/s Difusividad huecos 4,9·10-3 m2/s 1,3·10-3 m2/s Permitividad eléctrica 15,7 12 Masa efectiva electrones 0,5 m0 1,1 m0 Masa efectiva huecos 0,37 m0 0,59 m0
  24. 24. Conductividad de semiconductores 11/11/2014 30 25 20 15 10 5 0 250 270 290 310 330 350 370 T (K) Conductividad (S/m) Ge A poca temperatura, las impurezas se ionizan Semiconductor extrínseco 2 1 0 ND=1020 m-3 0 100 200 300 400 500 T (K) Conductividad (S/m) Si puro ND=5∙1019 m-3 rápidamente. Los portadores procedentes de las impurezas, ya ionizadas, no aumentan sensiblemente. A temperaturas altas, la conducción intrínseca se hace significativa.
  25. 25. Corrientes de desplazamiento r r r r r r r r r vp = pE r       J pqv pq E p p e p J nqv n( q )( E) nq E n n e n e n J = Jp + Jn = qe(nn + pp)E = sE s = qe(nn + pp) 11/11/2014 r r r    vn = -nE Jn Jp r Eext
  26. 26. Corrientes de desplazamiento en SC Intrínsecos 11/11/2014 p = n = ni s = qe(nn + pp) s = qeni(n + p) p n >> p s  qnn p >> n s  qpp n Extrínsecos
  27. 27. Corrientes de difusión Ley de Fick    Ley de Ohm r nd dx n Dn Difusividad de electrones (Dn Si = 3,5·10-3 m2/s) Dp Difusividad de huecos (Dp Si = 1,31·10-3 m2/s) 11/11/2014 n = 0 r Jdif = -qDn D D kT p r J = -sV n V Relación de Einstein: T p n   q    k (Constante de Boltzmann) = 1,38·10-23 JK-1 VT(300 K) = 25,85 mV
  28. 28. Corrientes de difusión (continuación) 11/11/2014 Jn N n r r Jn = qeDnn P p r Jp r Jp = -qeDpp
  29. 29. Variación de potencial en un semiconductor con dopado no uniforme p(x p(x2) 1) 11/11/2014 p = p(x) x2 x1 0 x en circuito abierto  Jdif + Jdesp = 0 r r qD p p     p qE 0 dp dx kT Relación de Einstein: D    V  p p T p q r E
  30. 30. Variación de potencial en un semiconductor con dopado no uniforme (continuación) VT    VT(300 K) = 25.85 mV p 1 V V V - V  V ln T n 1 V V V - V   V ln T 11/11/2014 Edx dV dp p p  2 2 1 T p 2 1 V 1 2p p e   n  2 2 1 T n 2 1 V 1 2n n e    Ejemplo: p1 = 1016 huecos/m3; p2 = 1022 huecos/m3

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