Aplicación de la Difusión en el estado Sólido de los materiales semiconductores. Uned. Introducción a la Ciencia de los Materiales.

1. UNED
Alumno D. Pedro Manuel Clemente de la Osada
Grado en Ingeniería en Electrónica Industrial y Autómata.
Centro asociado Francisco Tomás y Valiente
APLICACIÓN DE LA DIFUSIÓN EN EL ESTADO
SÓLIDO EN LOS MATERIALES
SEMICONDUCTORES

2. INDICE
1. Objetivo.
2. Desarrollo.
2.1. Descripción.
2.2. Características o mecanismos de la difusión.
2.3. Materiales semiconductores.
2.3.1. Semiconductores extrínsecos de tipo n.
2.3.2. Semiconductores extrínsecos de tipo p.
2.4. Aplicación industrial de la difusión.
2.5. La unión pn y usos concretos de los semiconductores.
3. Conclusión.
4. Referencias bibliográficas.

3. 1.- OBJETIVO
La difusión atómica es una propiedad de los materiales y muchos
procesos industriales de fabricación utilizan la difusión en estado sólido. En
esta tarea analizaremos el dopado con impurezas de obleas de silicio para
circuitos integrados como proceso de difusión.
2.- DESARROLLO.
2.1.- Descripción.
La difusión se puede definir como el mecanismo por el cual la materia es
transportada a través de la materia. Los átomos, en gases, líquidos y sólidos
están en constante movimiento y se desplazan tras un periodo de tiempo. En
los sólidos, el movimiento de los átomos está restringido debido a su
enlazamiento en posiciones de equilibrio. Sin embargo, en los sólidos tiene
lugar vibraciones térmicas que permiten que algunos átomos se muevan. La
difusión de los átomos en metales y aleaciones es importante, ya que la mayor
parte de las reacciones en estado sólido involucran movimientos atómicos.
2.2.- Características o mecanismos de la difusión.
Hay dos principales mecanismos de difusión de los átomos en una red
cristalina: difusión por vacantes o mecanismo sustitucional y mecanismo
intersticial.
El mecanismo de difusión por vacantes o sustitucional los átomos
pueden moverse en las redes cristalinas desde unas posiciones atómicas a
otras si hay suficiente energía de activación procedente de vibraciones
térmicas de los átomos y hay vacantes u otros defectos cristalinos en la red
para que los átomos puedan desplazarse a otras posiciones. Las vacantes en
los metales y aleaciones son defectos de equilibrio, algunas siempre están
presentes posibilitando la difusión sustitucional de los átomos. Según va
aumentando la temperatura del metal se producirán más vacantes y habrá más
energía térmica disponible, por tanto, el grado de difusión es mayor a
temperaturas más altas.
El mecanismo de difusión intersticial de los átomos en las redes
cristalinas tienen lugar cuando los átomos van desde una posición intersticial a
otra vecina desocupada sin desplazar permanentemente a ninguno de los
átomos de la red cristalina matriz.

4. Ilustración 1Tipos de mecanismos de difusión.
2.3.- Materiales semiconductores.
Un semiconductor es un material aislante que, cuando se le añaden
ciertas sustancias se vuelve conductor.
Los semiconductores son aquellos materiales cuyas conductividades
eléctricas están comprendidas entre la de los metales muy conductores y las
de los aislantes muy poco conductores. Los semiconductores intrínsecos son
semiconductores puros cuya conductividad eléctrica viene determinada por sus
propiedades conductoras inherentes. El silicio y el germanio puro son
materiales semiconductores intrínsecos. Estos elementos pertenecen al grupo
IVA de la clasificación periódica, poseen la estructura cúbica del diamante con
enlaces covalentes fuertemente direccionales.
Los electrones de enlace son incapaces de moverse a través de la red
cristalina y conducir la electricidad, a menos que se comunique suficiente
energía para excitarlos desde sus posiciones de enlace. Cuando un electrón de
valencia se le comunica una cantidad crítica de energía para excitarle desde su
posición de enlace pasa a ser un electrón de conducción libre y deja tras de sí
en la red cristalina un hueco cargado positivamente.
La teoría de bandas es la justificación de sólidos aislantes que no
conducen la electricidad. Esto se debe a que en un aislante las bandas de
energía no se solapan y si la diferencia energética entre las bandas es muy
grande hay muy pocos electrones que puedan superarla y alcanzar la banda
vacía por lo que los electrones no pueden fluir aunque se aplique una corriente
externa. Para que un aislante deje de serlo hay que suministrar una energía
suficientemente elevada a los electrones para que superen la capa prohibida
(figura 2). Sin embargo, si el salto de energía entre las bandas de valencia es
pequeño se puede excitar a los electrones y la conducción resulta posible, los
semiconductores. En este caso, como se dijo en el proceso de difusión, a
temperatura baja los electrones están en la banda de energía llena y no se
mueven, no hay conducción, pero a temperatura más altas o cuando se aplica
un campo eléctrico algunos electrones adquieren energía para saltar y pasan a
la banda de energía vacía permitiéndose así el flujo de electrones y de la
corriente eléctrica.

5. Ilustración 2.Diferencia entre las bandas de energía en metales, aislantes y semiconductores.
La conductividad eléctrica de un semiconductor se puede modificar
añadiendo pequeñas cantidades de otras sustancias en un proceso que se
denomina dopaje que es el proceso de añadir a silicio pequeñas cantidades de
átomos impurezas sustitucionales para producir un material semiconductor,
mientras que los átomos utilizados como impurezas se denominan dopantes.
Por ejemplo, si al silicio sólido se le adiciona una pequeña cantidad de
un elemento del grupo IIIA como boro que tienen tres electrones de valencia
resulta que, como el silicio tiene cuatro, esto hace que aparezca un hueco
positivo por cada átomo añadido. Es decir, los átomos que sustituyen al silicio
en el enlace con cuatro átomos de silicio vecinos tienen un electrón menos y
por tanto la capa de valencia no se llena por completo. En este caso, si se
aplica un campo eléctrico, los electrones vecinos pueden ocupar huecos y
conducir la electricidad.
Ilustración 3 Adición de un átomo de impureza boro
Mientras que los semiconductores intrínsecos son semiconductores
puros cuya conductividad eléctrica viene determinada por sus propiedades
inherentes (como el silicio y el germanio) los semiconductores extrínsecos es
un semiconductor dopado.
Los semiconductores extrínsecos son soluciones sólidas sustitucionales
muy diluidas en las que los átomos de las impurezas, soluto, poseen
características de valencia diferentes de las que el disolvente que constituyen
la red atómica. La concentración de impurezas añadidos a estos
semiconductores están normalmente en el rango de 100 a 1000 partes por
millón.

6. 2.3.1. Semiconductor extrínseco de tipo n.
El semiconductor extrínseco de tipo n (tipo negativo), se denomina así porque
la mayoría de los portadores de carga son electrones y contienen átomos de
impurezas del grupo VA tales como el P, As y Sb. Si un átomo de impureza de
un elemento del grupo VA, por ejemplo el fósforo, reemplaza a un átomo de
silicio, que es un elemento del grupo IVA, habrá un electrón de exceso sobre
los cuatro necesarios para formar el enlace covalente tetraédrico en la red de
silicio. Este electrón extra está solo ligeramente unido al núcleo cargado
positivamente del fósforo. Cuando bajo la acción de un campo eléctrico el
electrón extra pasa a ser un electrón libre apto para la conducción del átomo de
fósforo remanente y adquiere una carga positiva (ilustración 4.b)
2.3.2. Semiconductor extrínseco de tipo p.
El semiconductor extrínseco de tipo p (tipo positivo), se denomina de
esta manera puesto que la mayoría de los portadores de carga son huecos en
la estructura de valencia. Átomos de elementos del grupo IIIA, como B, Al y Ga
suministran niveles aceptores en la estructura de silicio. Cuando un elemento
trivalente del citado grupo se introduce sustitucionalmente en la red de silicio
enlazado tetraédricamente, se pierde uno de los orbitales de enlace y aparacde
un hueco en la estructura de enlace (ilustración 5.a). Si se aplica un campo
eléctrico externo al cristal de silicio, uno de los electrones vecinos de otro
enlace tetraédrico puede alcanzar energía suficiente para apartarse de su
posición de enlace y dirigirse a formar un nuevo enlace ocupando el hueco
existente en torno al átomo de boro (ilustración 5.b).
Quinto electrón extra del átomo de P
El quinto electrón extra es arrancado del átomo de P
Ilustración 4 modelo bidimensional de enlace covalente de la r.c. de silicio

7. Ilustración 5 a) Adición de un átomo de impureza boro. B) Efecto acción campo eléctrico un electrón es atraído.
2.4.-Aplicaciones industriales del proceso de difusión.
Muchos procesos industriales de fabricación utilizan la difusión en
estado sólido. En esta tarea consideraremos el dopado con impurezas de
obleas de silicio para circuitos electrónicos integrados. En este proceso de
difusión para dopado de obleas de silicio los átomos dopantes se depositan
sobre o cerca de la superficie de la oblea por una primera etapa de deposición
gaseosa, seguida de una difusión conductora que mueve hacia adelante los
átomos en el interior de la oblea.
La difusión de impurezas en obleas de silicio para cambiar sus
características de conductividad térmica, es una importante fase en la
fabricación de circuitos electrónicos integrados modernos. En un método
utilizado para la difusión de impurezas en obleas de silicio, se expone su
superficie al vapor de una impureza apropiada a una temperatura por encima
de 1.100ºC en un horno de tubo de cuarzo. La parte de la superficie de silicio
que no ha de ser expuesta a la difusión de impurezas tiene que ser protegida
para que la difusión de impurezas sólo actúe en las partes seleccionadas por
los ingenieros del diseño para los cambios de conductividad. La concentración
de impurezas difundidas en la superficie de silicio disminuye al aumentar la
distancia bajo la superficie. Cambiando el tiempo de difusión también cambiará
la concentración de impurezas frente al perfil de la distancia bajo la superficie,
profundidad de penetración.
2.5.-La unión pn y usos concretos de los semiconductores.
El uso de semiconductores en la industria electrónica ha aumentado en
los últimos años. La habilidad de los semiconductores para poner circuitos
electrónicos extremadamente complejos en un chip de silicio de 1cm2 o inferior

8. y de aproximadamente de 200µm de espesor ha revolucionado el diseño y la
fabricación de numerosos productos.
Los dispositivos semiconductores más comunes dependen de las
propiedades de la interfase entre materiales de tipo p y materiales de tipo de n.
Un diodo de unión de tipo pn puede producirse por crecimiento de un
monocristal de silicio intrínseco y dopándole primero un material de tipo n y
después otro material de tipo p. Sin embargo, la unión pn se produce más
habitualmente por difusión de estado sólido de un tipo de impureza.
El diodo de unión pn en el equilibrio. En el caso ideal en el que
semiconductores de silicio de tipo p y de tipo n se disponen juntos para formar
una unión. Antes de la unión ambos semiconductores son eléctricamente
neutros. En el material de tipo p los huecos son portadores mayoritarios y los
electrones los minoritarios. En el material de tipo n los electrones son los
portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios.
Después de la unión de los materiales los portadores mayoritarios
próximos a la unión se difunden a través de la misma y se recombinan. Los
iones que están próximos a la unión son físicamente más grandes y pesados
que los electrones y huecos y permanecen en sus posiciones en la red de
silicio. Después de algunas recombinaciones de portadores mayoritarios en la
unión, el proceso se interrumpe porque los electrones que cruzan la unión
dentro del material de tipo p son repelidos por los iones negativos de mayor
tamaño. Los huecos que cruzan son repelidos en el material de tipo n por los
iones positivos de mayor tamaño. Bajo condiciones de equilibrio (circuito
abierto) existe una diferencia de potencial o barrera para el flujo de portadores
mayoritarios. De esta forma no hay flujo neto de corriente en condiciones de
circuito abierto.
El diodo pn en polarización inversa. Cuando se aplica un voltaje externo
a esta unión, se dice que está polarizada. Se dice que esta unión está
polarizada inversamente si el material de tipo n está conectada al terminal
positivo de una batería. Así los electrones, portadores mayoritarios, del material
de tipo n son atraídos hacia el terminal positivo de la batería desde la unión, y
los huecos, portadores mayoritarios, del material de tipo p son atraídos hacia el
terminal negativo de la batería a través de la unión. El movimiento de los
portadores mayoritarios, electrones y huecos, alejándose de la unión aumenta
la anchura de la barrera y como resultado la corriente debida a portadores
mayoritarios no fluirá. Los portadores minoritarios generados térmicamente se
dirigirán hacia la unión y así pueden combinarse y crear un pequeño flujo de
corriente. Esta fuga es del orden de microamperios.
El diodo pn directamente polarizado. Se dice que el diodo está
directamente polarizado si el material de tipo n de la unión está conectado al
terminal negativo de una batería externa y si el material de tipo p está

9. conectado al terminal positivo. Los electrones son repelidos desde el terminal
negativo de la batería hacia la unión y los huecos son repelidos desde el
terminal positivo hacia la unión.
Bajo polarización directa, la barrera de energía de la unión se reduce,
por lo que algunos electrones y huecos pueden cruzar la unión y por
consiguiente combinarse. Durante la polarización directa de una unión pn
entran electrones en el diodo procedentes de la batería. Por cada electrón que
cruza la unión y se combina con un hueco, otro electrón entra desde la batería.
Por cada hueco que se combina con un electrón en un material de tipo n, se
forma un nuevo hueco siempre que un electrón abandone el material de tipo p
y fluya hacia el terminal positivo de la batería. Dado que la barrera energética
para el flujo electrónico se reduce cuando la unión pn está polarizada
directamente, puede fluir una corriente considerable. El flujo electrónico (y el de
corriente) puede continuar mientras la unión pn esté polarizada directamente y
la batería suministre una fuente de electrones.
Algunas aplicaciones de la unión pn de los semiconductores.
 Diodos rectificadores. Uno de los usos más importantes de estos diodos
es convertir corriente alterna en corriente continua. Cuando una señal ac
se aplica un diodo pn será conductor cuando la región p tenga aplicado
un voltaje positivo respecto de la región n.
 Diodos avalancha. Estos diodos, conocidos como zener, son
rectificadores de silicio en los que la corriente inversa es pequeña y
entonces con un ligero aumento de tensión inversamente polarizada se
tiene una tensión de avalancha con lo que la corriente inversa aumenta
rápidamente.
 Transistor bipolar (BJT). Es un dispositivo electrónico que puede servir
como amplificador de corriente. Consiste en dos uniones pn dispuestas
secuencialmente en un monocristal de un material semiconductor como
el silicio. Está compuesto por tres partes principales emisor, base y
colector. El emisor emite portadores de carga. La base controla el flujo
de portadores de carga y colector colecta portadores de carga que
provienen principalmente del emisor.
 Fabricación de circuitos integrados MOS.

10. 3.- CONCLUSIÓN.
La difusión atómica se produce en sólidos metálicos principalmente por
una vacante o mecanismo de sustitución y por un mecanismo intersticial. En el
mecanismo de vacante los átomos de aproximadamente igual tamaño se
desplazan de una posición a otra utilizando las posiciones atómicas vacantes.
Los procesos de difusión se utilizan comúnmente en la industria y en
este caso se ha estudiado la difusión de cantidades controladas de impurezas
en el interior de obleas de silicio para circuitos integrados.
La técnica de la difusión de estado sólido de un tipo de impureza
(dopaje) se utiliza para la unión pn de los semiconductores extrínsecos y
fabricando uniones de este tipo en un monocristal de un semiconductor como el
silicio se pueden obtener varios tipos de dispositivos semiconductores como los
diodos de unión pn y transistores npn. La tecnología microelectrónica moderna
se ha desarrollado de forma que pueden introducir millares de transistores en
un chip de silicio semiconductor de menos de 0,5 cm2 y 0,2 mm de espesor.
4.- REFERENCIAS.
Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales, autor
William F. Smith.
Introducción al conocimiento de los materiales y a sus
aplicaciones. Autores Segundo Barroso Herrero, José Ramón Gil
Bercero y Ana Mª. Camacho Lopez.