Este documento describe diferentes tipos de materiales semiconductores, incluyendo germanio y silicio, compuestos como SiC y SiGe, y compuestos III-V y II-VI. Explica que los semiconductores tienen una conductividad intermedia entre los metales y los aislantes, y que esta conductividad puede modificarse por factores como la temperatura, excitación óptica e impurezas.

1. Semiconductores elementales: Germanio (Ge) y Silicio (Si)
Compuestos IV: SiC y SiGe
Compuestos III-V:
Binarios: GaAs, GaP, GaSb, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP y InSb
Ternarios: GaAsP, AlGaAs
Cuaternarios: InGaAsP
Compuestos II-VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe y CdTe
Son materiales de conductividad intermedia entre la
de los metales y la de los aislantes, que se modifica
en gran medida por la temperatura, la excitación
óptica y las impurezas.
Son materiales de conductividad intermedia entre la
de los metales y la de los aislantes, que se modifica
en gran medida por la temperatura, la excitación
óptica y las impurezas.
Materiales semiconductores

2. •Estructura atómica del Carbono (6 electrones)
1s2
2s2
2p2
•Estructura atómica del Silicio (14 electrones)
1s2
2s2
2p6
3s2
3p2
1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d10
4s2
4p2
•Estructura atómica del Germanio (32 electrones)
4 electrones en la última capa4 electrones en la última capa
Materiales semiconductores

3. Distancia interatómica
Estados discretos
(átomos aislados)
Carbono gaseoso (6 electrones) 1s2
, 2s2
, 2p2
Materiales semiconductores
- 2s2-
Banda de estados
2p2
4 estados vacíos
- -
1s2--

4. Reducción de la distancia interatómica del Carbono
Materiales semiconductores
Distancia interatómica
Energía
--
- -
--
Grafito:
Hexagonal, negro,
blando y conductor
Grafito:
Hexagonal, negro,
blando y conductor
--
--
Diamante:
Cúbico, transparente,
duro y aislante
Diamante:
Cúbico, transparente,
duro y aislante
--
--

5. Si un electrón de la banda de valencia alcanzara la energía
necesaria para saltar a la banda de conducción, podría moverse al
estado vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino,
generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente casi ningún
electrón tiene esta energía.
Es un aislante.
Si un electrón de la banda de valencia alcanzara la energía
necesaria para saltar a la banda de conducción, podría moverse al
estado vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino,
generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente casi ningún
electrón tiene esta energía.
Es un aislante.
Banda prohibida
Eg=6eV
Diagramas de bandas
Diagrama de bandas del Carbono: diamante
Banda de valencia
4 electrones/átomo
-
-
-
-
Banda de conducción4 estados/átomo
Energía

6. No hay banda prohibida. Los electrones de la banda de
valencia tienen la misma energía que los estados vacíos
de la banda de conducción, por lo que pueden moverse
generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente
es un buen conductor.
No hay banda prohibida. Los electrones de la banda de
valencia tienen la misma energía que los estados vacíos
de la banda de conducción, por lo que pueden moverse
generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente
es un buen conductor.
Diagramas de bandas
Diagrama de bandas del Carbono: grafito
Banda de
valencia4 electrones/átomo
Banda de
conducción
4 estados/átomo
-
-
-
-
Energía

7. Si un electrón de la banda de valencia alcanza la energía necesaria
para saltar a la banda de conducción, puede moverse al estado
vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino, generando
corriente eléctrica. A temperatura ambiente algunos electrones
tienen esta energía. Es un semiconductor.
Si un electrón de la banda de valencia alcanza la energía necesaria
para saltar a la banda de conducción, puede moverse al estado
vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino, generando
corriente eléctrica. A temperatura ambiente algunos electrones
tienen esta energía. Es un semiconductor.
Diagramas de bandas
Diagrama de bandas del Ge
Eg=0,67eV Banda prohibida
Banda de valencia
4 electrones/átomo
-
-
-
-
Banda de conducción
4 estados/átomo
Energía

8. A 0ºK, tanto los aislantes como los semiconductores no
conducen, ya que ningún electrón tiene energía suficiente para
pasar de la banda de valencia a la de conducción. A 300ºK,
algunos electrones de los semiconductores alcanzan este nivel. Al
aumentar la temperatura aumenta la conducción en los
semiconductores (al contrario que en los metales).
A 0ºK, tanto los aislantes como los semiconductores no
conducen, ya que ningún electrón tiene energía suficiente para
pasar de la banda de valencia a la de conducción. A 300ºK,
algunos electrones de los semiconductores alcanzan este nivel. Al
aumentar la temperatura aumenta la conducción en los
semiconductores (al contrario que en los metales).
Eg
Banda de
valencia
Banda de
conducción
Aislante
Eg=5-10eV
Diagramas de bandas
Semiconductor
Eg=0,5-2eV
Eg
Banda de
valencia
Banda de
conducción
Banda de
valencia
Conductor
No hay Eg
Banda de
conducción

9. No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a
que los electrones de la banda de valencia no
pueden saltar a la banda de conducción.
No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a
que los electrones de la banda de valencia no
pueden saltar a la banda de conducción.
Representación plana del Germanio a 0º K
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
-
-
-
-
-
-
-
-
- - - -
G
e
G
e
G
e
G
e
Ge Ge Ge Ge
- - - -

10. •Hay 1 enlace roto por cada 1,7·109
átomos.
•Un electrón “libre” y una carga “+” por cada
enlace roto.
•Hay 1 enlace roto por cada 1,7·109
átomos.
•Un electrón “libre” y una carga “+” por cada
enlace roto.
Situación del Ge a 0ºK
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
- - - -
-
-
+
300º K

11. Situación del Ge a 300º K
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
- - - -
-
-
+
Generación
-
-
+
Recombinación
Generación
Siempre se están rompiendo (generación) y
reconstruyendo (recombinación) enlaces. La vida media
de un electrón puede ser del orden de milisegundos o
microsegundos.
Siempre se están rompiendo (generación) y
reconstruyendo (recombinación) enlaces. La vida media
de un electrón puede ser del orden de milisegundos o
microsegundos.
-
++
-
-
Recombinación
Generación
Muy
importante

12. +-
+++++++
-
-
-
-
-
-
-
-
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
- - - -
-
+
Aplicación de un campo externo
•El electrón libre se mueve por acción del campo.
•¿Y la carga ”+” ?.
•El electrón libre se mueve por acción del campo.
•¿Y la carga ”+” ?.
- - --

13. G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
- - - -
-
-
+
+-
+++++++
-
-
-
-
-
-
-
Aplicación de un campo externo
-
+
-
-
•La carga “+” se mueve también. Es un nuevo
portador de carga, llamado “hueco”.
•La carga “+” se mueve también. Es un nuevo
portador de carga, llamado “hueco”.
Muy
importante

14. Mecanismo de conducción. Interpretación
en diagrama de bandas
-
-
-
-
Átomo 1
-
-
-
-
+
Átomo 2
-
-
-
-
Átomo 3
+- Campo eléctrico
+
-
-

15. jp
→
jn
→
Existe corriente eléctrica debida a los dos portadores de carga:
jp=q·µp·p·Ε es la densidad de corriente de huecos.
jn=q·µn·n·Ε es la densidad de corriente de electrones.
Existe corriente eléctrica debida a los dos portadores de carga:
jp=q·µp·p·Ε es la densidad de corriente de huecos.
jn=q·µn·n·Ε es la densidad de corriente de electrones.
→→
→→
Movimiento de cargas por un campo
eléctrico exterior
Ε
→
+++++
-
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+

16. jp=q·µp·p·Ε jn=q·µn·n·Ε
→ → →→
Movimiento de cargas por un campo eléctrico
exterior
Ge
(cm2
/V·s)
Si
(cm2
/V·s)
As Ga
(cm2
/V·s)
µn 3900 1350 8500
µp 1900 480 400
q = carga del electrón
µp = movilidad de los huecos
µn = movilidad de los electrones
p = concentración de huecos
n = concentración de electrones
Ε = intensidad del campo eléctrico
Muy
importante

17. Todo lo comentado hasta ahora se refiere a los llamados
“Semiconductores Intrínsecos”, en los que:
•No hay ninguna impureza en la red cristalina.
•Hay igual número de electrones que de huecos n = p = ni
Ge: ni = 2·1013
portadores/cm3
Si: ni = 1010
portadores/cm3
AsGa: ni = 2·106
portadores/cm3
(a temperatura ambiente)
¿Pueden modificarse estos valores?
¿Puede desequilibrarse el número de electrones y de
huecos?
La respuesta son los Semiconductores Extrínsecos
¿Pueden modificarse estos valores?
¿Puede desequilibrarse el número de electrones y de
huecos?
La respuesta son los Semiconductores Extrínsecos
Semiconductores Intrínsecos

18. A 0ºK, habría un electrón
adicional ligado al átomo
de Sb
A 0ºK, habría un electrón
adicional ligado al átomo
de Sb
Tiene 5 electrones en la
última capa
Semiconductores Extrínsecos
Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo V
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
- - - -
Sb
-
-
-1
2
3
4
5
0ºK

19. - - - - -
- - - - -
- - -
- -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
G
e
G
e
G
e
Ge Ge Ge Ge
- - - -
Sb
-
-
-1
2
3
4
5 0ºK
Semiconductores Extrínsecos
300ºK
Sb+
5-
A 300ºK, todos electrones adicionales de los átomos de Sb están
desligados de su átomo (pueden desplazarse y originar corriente
eléctrica). El Sb es un donador y en el Ge hay más electrones
que huecos. Es un semiconductor tipo N.
A 300ºK, todos electrones adicionales de los átomos de Sb están
desligados de su átomo (pueden desplazarse y originar corriente
eléctrica). El Sb es un donador y en el Ge hay más electrones
que huecos. Es un semiconductor tipo N.

20. -
Energía
Eg=0,67eV
4 electr./atm.
4 est./atm.
0 electr./atm.
ESb=0,039eV
-
-
-
-
0ºK
El Sb genera un estado permitido en la banda
prohibida, muy cerca de la banda de conducción. La
energía necesaria para alcanzar la banda de
conducción se consigue a la temperatura ambiente.
El Sb genera un estado permitido en la banda
prohibida, muy cerca de la banda de conducción. La
energía necesaria para alcanzar la banda de
conducción se consigue a la temperatura ambiente.
Semiconductores Extrínsecos
Interpretación en diagrama de bandas de un
semiconductor extrínseco Tipo N
3 est./atm.
1 electr./atm.-
+
300ºK

21. A 0ºK, habría una “falta de
electrón” adicional ligado
al átomo de Al
A 0ºK, habría una “falta de
electrón” adicional ligado
al átomo de Al
Tiene 3 electrones en la
última capa
Semiconductores Extrínsecos
Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo III
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
G
e
G
e
G
e
Ge Ge Ge Ge
- - - -
Al
-1
2
3
0ºK

22. A 300ºK, todas las “faltas” de electrón de los átomos de
Al están cubiertas con un electrón procedente de un
átomo de Ge, en el que se genera un hueco. El Al es un
aceptador y en el Ge hay más huecos que electrones. Es
un semiconductor tipo P.
A 300ºK, todas las “faltas” de electrón de los átomos de
Al están cubiertas con un electrón procedente de un
átomo de Ge, en el que se genera un hueco. El Al es un
aceptador y en el Ge hay más huecos que electrones. Es
un semiconductor tipo P.
Semiconductores Extrínsecos
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
G
e
G
e
G
e
Ge Ge Ge Ge
- - - -
Al
-1
2
3
0ºK300ºK
Al-
+
-
4 (extra)

23. Energía
Eg=0,67eV
4 electr./atom.
0 huecos/atom.
4 est./atom.
EAl=0,067eV
-
-
-
-
0ºK
+
-
3 electr./atom.
1 hueco/atom.
300ºK
Interpretación en diagrama de bandas de un
semiconductor extrínseco Tipo P
Semiconductores Extrínsecos
El Al genera un estado permitido en la banda prohibida,
muy cerca de la banda de valencia. La energía necesaria
para que un electrón alcance este estado permitido se
consigue a la temperatura ambiente, generando un hueco
en la banda de valencia.
El Al genera un estado permitido en la banda prohibida,
muy cerca de la banda de valencia. La energía necesaria
para que un electrón alcance este estado permitido se
consigue a la temperatura ambiente, generando un hueco
en la banda de valencia.

24. Semiconductores intrínsecos:
•Igual número de huecos y de electrones
Semiconductores extrínsecos:
Tipo P:
•Más huecos (mayoritarios) que electrones (minoritarios)
•Impurezas del grupo III (aceptador)
•Todos los átomos de aceptador ionizados “-”.
Tipo N:
•Más electrones (mayoritarios) que huecos (minoritarios)
•Impurezas del grupo V (donador)
•Todos los átomos de donador ionizados “+”.
Resumen
Muy
importante