El documento trata sobre los semiconductores. Explica la estructura de bandas de energía en los cristales y cómo esto determina si son conductores, dieléctricos o semiconductores. Luego describe la estructura de bandas en semiconductores intrínsecos como el silicio y germanio, y cómo se generan pares electrón-hueco térmicamente. Finalmente, introduce los semiconductores dopados tipo p y tipo n, y cómo las impurezas afectan su estructura de bandas y propiedades eléctricas.

1. 2013
FRANKLIN MAUTINO MUNADA
ING. SISTEMAS E INFORMATICA
21/04/2013
SEMICONDUCTORES

2. Estructura de los sólidos.
Introducción del marco conceptual que conduce a la teoría de bandas
Cristales: el enlace covalente.
Teoría de bandas de energía.
Bandas de energía y conducción eléctrica en cristales.
Clasificación de los materiales: metales, dieléctricos y semiconductores.
Semiconductores y fenómenos de conducción.
Introducción. Los semiconductores de Silicio y Germanio: estructura y hechos
experimentales.
Semiconductores intrínsecos: Electrones y huecos. Estructura de bandas de un
semiconductor intrínseco. Generación de pares electrón-hueco. Dependencia con la
temperatura.
Semiconductores con impurezas o extrínsecos: Semiconductores tipo p y
semiconductores tipo n. Estructura de bandas de un semiconductor extrínseco.
Ley de acción de masas. Concentraciones de portadores mayoritarios y
minoritarios.

3. La teoría cuántica de los átomos resulta de la aplicación
de la ecuación de Schödinger a un sistema formado por un
núcleo de carga Ze y Z electrones de carga -e.
Las funciones de onda dependen de los números cuánticos.
La configuración electrónica de los átomos está
gobernada por el principio de exclusión de Pauli. Dos
electrones en un mismo átomo no pueden encontrarse en
el mismo estado cuántico.

4. Constituyentes
de la materia
O sea las
partículas
elementales,
tales como
protones,
electrones y
neutrones

6. Atomos
1s22s22p2
1s22s22p63s23p2
1s22s22p63s23p63d64s2

7. Moléculas
Valium
Agua
Fulereno

8. Molécula de hidrógeno
+
A
d
+
B

9. Gas Líquido
Sólido
Hielo
Cristal de
Cl Na (fcc)
Enlace
iónico
5.63Å

11. Diagrama de niveles
energéticos para el
hidrógeno

12. Energía
División energética de dos
niveles de energía para
seis átomos en función de
su separación.
Nivel 2
Bandas de energía permitida
Nivel 1
Separación de los átomos
Si tenemos N átomos idénticos agrupados, cada
nivel del átomo aislado se divide en N niveles
energéticos distintos pero muy próximos
En un sólido macroscópico hay del orden de 1023 átomos,
luego cada nivel energético se divide en un casi continuo
de niveles que constituyen lo que se llama una banda.

13. Reducción de la distancia interatómica del Carbono
Energ
ía
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
Distancia interatómica
Diamante:
Cúbico,
transparente,
duro y
aislante
Grafito:
Hexagonal,
negro,
blando y
conductor

15. Las bandas de más baja energía corresponden a los niveles de
menor energía de los electrones en el sólido o sea a los
electrones ligados
La banda de energía más alta que contiene electrones se llama
banda de valencia
La banda de energía más baja que contiene estados no ocupados
se llama banda de conducción
Prohibida
Permitida,
vacía
Permitida
ocupada
Conductor
Cobre
(Cu)
Conductor
Magnesio
(Mg)
Aislante Semiconductor
Solapada
Niveles energéticos
muy próximos entre
sí

16. Distribución energética de los electrones en las bandas
La energía del último
nivel lleno o medio lleno a
T = 0 se llama energía de
Fermi EF
Deuterón
fotón
mesón
Bosones
T = 0
Fermiones
Electrón
La energía para la cual la probabilidad
de que su estado se encuentre ocupado
es 1/2 se define como EF
T > 0

19. SEMICONDUCTORES INTRINSECOS
Cuatro electrones de valencia
Silicio
Germanio
Enlace covalente
Estructura del silicio
Red cúbica
Longitud de la arista
a = 0.543 nm (parámetro de red)

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

21. Situación del Ge a 300º K (I)
-
-
-
Ge Ge Ge Ge
•Hay 1 enlace roto por cada 1.7·109 átomos.
•Un electrón “libre” y una carga “+” por cada
enlace roto.
-
-
-
-
Ge Ge Ge Ge -
-
-
-
-
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

22. Imágenes de átomos y
escalones en una
superficie de silicio
barrida por un
microscopio de efecto
túnel
Átomos a mayor altura
Átomos intermedios
Átomos de una capa mas baja

23. Cristal de cuarzo
Obtención de silicio
cuarzo silano
SiO2 4H2 SiH4 (gas) 2H2O
SiH Si pirólisis 

24. A partir de un germen cristalino,
el silicio fundido crece en forma
de cristal cilíndrico

25. 0 K banda de conducción vacía0 K banda
de conducción vacía
banda de conducción
300 K
banda de valencia
El Si tiene aproximadamente un electrón libre por cada 1012 átomos
hueco
Electrón
libre
Contribuyen a la corriente
los electrones y los huecos

26. Propiedades del germanio y del silicio
Número atómico
Masa atómica (g/mol)
Radio atómico (nm)
Estructura electrónica
Densidad (kg/m3)
Temperatura de fusión
Calor específico(J/kg ªC)
Concentración atómica (atomos/m3)
Concentración intrínseca a 300 K
Anchura banda prohibida a 300 K
Movilidad de los electrones a 300 K
Movilidad de los huecos a 300 K
Resistividad intrínseca a 300 K
Difusividad de los electrones
Difusividad de los huecos
Permitividad eléctrica
Masa efectiva electrones
Masa efectiva huecos
Ge
32
72.6
0.137
[Ar]4s23d104p2
5323
937.4 ªC
309
4.42 1028
2.36 1019 m-3
0.67 eV
0.39 m2 /Vs
0.182 m2 /Vs
0.47 m
10.1 10-3 m2/s
4.9 10-3 m2/s
15.7
0.5 m0
0.37 m0
Si
14
28.08
0.132
[Ne]3s23p2
2330
1410 ªC
677
4.96 1028
1.5 1016 m-3
1.12 eV
0.135 m2 /Vs
0.05 m2 /Vs
2300 m
3.5 10-3 m2/s
1.3 10-3 m2/s
12
1.1 m0
0.59 m0

27. Relaciones cuantitativas para la conducción
eléctrica en semiconductores intrínsecos
nqn pqp
conductividad
n número de electrones de conducción por unidad de volumen
p número de huecos de conducción por unidad de volumen
n movilidad del electrón
p movilidad del hueco

28. Siempreseestánrompiendo(generación)y
reconstruyendo (recombinación) enlaces. La vida media
de un electrón puede ser del orden de milisegundos o
microsegundos.
-
-
-
-
-
-Ge Ge Ge -
Recombinación -
-
-
-
-Generación
+ +
Ge
--
Generación
-
-
---
-
-
-
-
Ge Ge Ge Recombinación
Ge
-
-Generación
+
--
Situación del Ge a 300º K (II)
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

29. LEY DE ACCION DE MASAS
A temperatura constante y en condiciones de
equilibrio el producto de las concentraciones de
electrones libres (n) y de huecos (p) es constante e
igual al cuadrado de la concentración de portadores
intrínsecos (ni) en el semiconductor
ni2=n p

31. Tabla periódica alrededor de los elementos semiconductores
Carbono:
Estructura cristalina
(diamante) aislante.
Dopantes
tipo p
Dopantes
tipo n

32. SEMICONDUCTORES DOPADOS
Semiconductor tipo n
Electrón
extra
Se dopan con elementos que tienen 5 electrones
de valencia Fósforo, Arsénico y Antimonio
Electrón
extra Banda de
conducción vacía
Niveles donadores de
impurezas
Banda de valencia
llena
Estructura
electrónica
del Arsénico

33. Semiconductor tipo p Se dopan con elementos que tienen 3 electrones
de valencia Boro, Aluminio y Galio
Banda de
conducción vacía
Hueco
Niveles aceptores de
impurezas
Hueco
Estructura
electrónica
del Galio
Banda de valencia
llena

34. LEY DE NEUTRALIDAD ELECTRICA
El cristal total debe ser eléctricamente neutro Na + n = Nd + p
Semiconductores intrínsecos:
Na = Nd= 0 n = p = ni
Semiconductores extrínsecos:
Semiconductor tipo n n>>p
Na = 0
Na concentración de iones positivos (aceptores)
Nd concentración de iones negativos (donadores)
n concentración de electrones debido al dopado
p concentración de huecos debido al dopado
nn ≈ Nd
pn
ni2ni2

nnNd
Semiconductor tipo p p>>n
Nd = 0 pp ≈ Na
np
ni2n2
i
ppNa

35. Conductividad: = n q 
Semiconductores intrínsecos:
conductividad
q carga del portador
movilidad
= ne q e + nh q h = nq(µe+µh)
Semiconductores extrínsecos:
Semiconductor tipo n n>>p
Eg 
n ne nh n0exp 
2kT 
Semiconductor tipo p p>>n
= nd q e = na q h

36. UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP IV CICLO ING. SISTEMAS E INFORMATICA