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Subido porAndrea Elizabeth Copari Yupanqui
Semiconductores
El documento describe los semiconductores intrínsecos y el proceso de dopaje para crear semiconductores tipo P y tipo N. Un semiconductor intrínseco es puro y no contiene impurezas. Mediante el dopaje con átomos de valencia 3 o 5 se introducen huecos o electrones libres respectivamente, creando semiconductores tipo P rico en huecos o tipo N rico en electrones.
Semiconductores
- 2. Son materiales cuyaconductividad varía con la temperatura, pudiendo comportarse como conductores o como aislantes. Resulta que se desean variaciones de la conductividad no con la temperatura sino controlables eléctricamente por el hombre.
- 3. Son propiedades semiconductorasque se encuentra en estado puro, es decir que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura, sino en forma natural. Entre ellos tenemos:
- 4. Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la ilustración, los átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.
- 5. • Cuando loselectrones libres llegan la extremo derecho del cristal, entran al conductor externo (normalmente un hilo de cobre) y circulan hacia el terminal positivo de la batería. Por otro lado, los electrones libres en el terminal negativo de la batería fluirían hacia el extremos izquierdo del cristal. Así entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo izquierdo del cristal. Se produce un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor.
- 6. • Si unelectrón de valencia se convierte en electrón de conducción deja una posición vacante, y si aplicamos un campo eléctrico al semiconductor, este “hueco” puede ser ocupado por otro electrón de valencia, que deja a su vez otro hueco. Este efecto es el de una carga +e moviéndose en dirección del campo eléctrico. A este proceso le llamamos ‘generación térmica de pares electrón-hueco’
- 7. Anteriormente hemos vistoque los semiconductores intrínsecos eran aquellos que no tenían impurezas, esto es, todos son átomos de Si Al aplicar el principio de exclusión de Pauli el electrón de energía E1 de un átomo y el electrón de energía E1 del átomo vecino se han de separar en energía. Como hay una gran cantidad de átomos aparecen muchos niveles energéticos con una separación muy pequeña, formando la 1ª Banda de Energía. Los electrones de energía E2 se separan en energía formando la 2ª Banda de Energía.
- 8. Y así sucesivamentecon el resto de energías se van creando Bandas de Energía (grupos de niveles energéticos). El resultado es el siguiente: Como es difícil sacar un electrón de las bandas inferiores, no nos interesan las 2 bandas inferiores, no las tendremos en cuenta, así tendríamos:
- 9. Estas 2 bandasson las creadas por los 4 electrones de la última órbita del átomo. A 0 ºK los 4 electrones de cada átomo están en la Banda de Valencia (cada uno en un radio o energía permitido). BC = Banda de Conducción BV = Banda de Valencia A 300 ºK (27 ºC, temperatura ambiente) o a mayor temperatura, algún electrón puede conseguir suficiente energía como para pasar a la Banda de Conducción, dejando así un hueco en la Banda de Valencia.
- 10. Recordar que aesto le llamábamos Generación Térmica de Pares electrón libre-hueco. Cuanto más aumente la temperatura, más electrones suben debido a la generación térmica. Por eso un semiconductor a 0 ºK no conduce y si aumenta la temperatura conduce más. Ahora veremos que es lo que ocurre con los semiconductores con impurezas.
- 11. En los semiconductoresintrínsecos la energía de Fermi (EF) se ubica aproximadamente entre la energía del mayor nivel de la banda de valencia (EV) y la energía del menor nivel de la banda de conducción (EC). Teniendo en cuenta la función de probabilidad de Fermi-Dirac, la probabilidad de encontrar niveles de energía, ocupados en la banda de conducción, es muy pequeña y la probabilidad de encontrar electrones en la banda de valencia es muy alta. Como el ancho de la banda de energía prohibida es muy pequeño, entonces muchos electrones se excitan térmicamente de la banda de valencia a la banda de conducción, y la aplicación de un pequeño voltaje puede aumentar con facilidad la temperatura de los electrones en la banda de conducción, produciéndose una corriente moderada. La conductividad de los semiconductores depende mucho de la temperatura y se incrementa con ésta. En contraste con la conductividad de los metales, que disminuye con la temperatura. En un semiconductor intrínseco la energía de Fermi se ubica en la mitad de la banda prohibida, entre las energías EC y EV.
- 13. El dopaje consisteen sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores. Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N Sentido del movimiento de un electrón y un hueco en el silicio.
- 14. • Impurezas devalencia 5 (Arsénico, Antimonio, Fósforo). tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 5 • Los átomo de valencia 5 tienen un electrón de más, así con una temperatura no muy elevada (a temperatura ambiente por ejemplo), el 5º electrón se hace electrón libre. Esto es, como solo se pueden tener 8 electrones en la órbita de valencia, el átomo pentavalente suelta un electrón que será libre.
- 15. • Impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro, Galio). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 3. • Los átomo de valencia 3 tienen un electrón de menos, entonces como nos falta un electrón tenemos un hueco. Esto es, ese átomo trivalente tiene 7 electrones en la orbita de valencia. Al átomo de valencia 3 se le llama "átomo trivalente" o "Aceptor". • A estas impurezas se les llama "Impurezas Aceptoras". Hay tantos huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de generación térmica (muy pocos). El número de huecos se llama p (huecos/m3).
- 16. Para los semiconductoresdel Grupo IV como Silicio, Germanio y Carburo de silicio, los dopantes más comunes son elementos del Grupo III o del Grupo V. Boro, Arsénico, Fósforo, y ocasionalmente Galio, son utilizados para dopar al Silicio. Ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje Tipo N). En el caso del Fósforo, se dona un electrón
- 17. Un Semiconductor tipoN se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones). Cuando se añade el material dopante aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones.
- 18. Es el deproducir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo 15 de la tabla periódica (ej. Fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritariosy los huecos son los portadores minoritarios . A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.
- 19. El siguiente esun ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje N). En el caso del Fósforo, se dona un electrón
- 20. Un Semiconductor tipoP se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos). Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.
- 21. Es el decrear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrará en condición de aceptar un electrón libre. Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los arteriales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.
- 22. • El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Boro (P dopaje). En el caso del boro le falta un electrón y, por tanto, es donado un hueco de electrón. La cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos. En el doping tipo p, la creación de agujeros, es alcanzada mediante la incorporación en el silicio de átomos con 3 electrones de valencia, generalmente se utiliza boro.(9)
- 23. Un semiconductor es“intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción En la producciñon de semiconductores , se denomina dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido como intríseco ), con el fin de cambiar sus propiedades electricas . Las impurezas utilizadas depender del tipo semiconductores a dopar .
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