Descripción de semiconductores

1. Química Avanzada de los Materiales (QUIM 8010):
SEMICONDUCTORES
MagísterenQuímicamenciónTecnologíadelosMateriales

2. Prof: Eglantina Benavente Espinosa. ebenaven@utem.cl
Doctor en Ciencias con mención en Química (UCh)
❖ Académico Jornada Completa del Departamento de Química (Macul)
Laboratorio de Investigación Edificio Las Palmeras 4to Piso (Macul)
❖ Investigador del Programa Institucional de Fomento a la Investigación,
Desarrollo e Innovación (PIDi) – ECT (San Joaquín)
❖ Directora del Doctorado en Ciencias de Materiales e Ingeniería en Procesos

3. Laboratorio de Investigación: Remediación de aguas contaminadas con sustancias dañinas
para la salud y al medio ambiente (como fármacos, pesticidas, colorantes, etc)
- Síntesis y caracterización de materiales inorgánicos nanoestructurados
- Reacciones impulsadas por la acción de la luz solar y/o luz ultravioleta. Fotocatálisis
heterogénea

4. Lamparas UV- Visible
Simulador Solar

5. Química Avanzada de los Materiales (QUIM 8010)
DESCRIPCION DE LA ASIGNATURA
Asignatura de carácter obligatorio del plan de estudios, caracterizada por aportar los
conocimientos necesarios para que el estudiante posea una visión moderna y actualizada
en química de materiales.

6. Los materiales semiconductores (SC), son elementos o compuestos químicos solidos que se comportan entre los
materiales conductores o aislantes, esto depende de las condiciones en las que este expuesto, algunas de estas son,
el campo eléctrico, magnético, la presión, la radiación o la temperatura en el ambiente que se encuentre.
De acuerdo a determinados factores, el semiconductor actúa a modo de aislante o como conductor.
Materiales semiconductores.
• Conductividad eléctrica es la propiedad de los materiales que cuantifica la facilidad con que las cargas pueden
moverse cuando un material es sometido a un campo eléctrico.
• La resistividad es una magnitud inversa a la conductividad, corresponde al grado de dificultad que encuentran los
electrones en sus desplazamientos.
• Brecha energética entre  0 y  4 electronvoltios (eV). Eg=h/
Resistivity: 10-5 to 106 Ω m.
Conductivity: 105 to 10-6 ohm/m.
 = 1/

7. Conductividad 
Siemens/cm (S/cm), (µS/cm) o (mS/cm).
 = Resistividad (ohmios-metro m)
A = área transversal m2
l = Longitud del material (m o cm)
R = resistencia eléctrica

8. • Resistividad eléctrica de
metales purosa temperaturas
entre 0 y 27 °C (10-8 Ω⋅m):
H He
Li
9,55
Be
3,76
B C N O F Ne
Na
4,93
Mg
4,51
Al
2,733
Si P S Cl Ar
K
7,47
Ca
3,45
Sc
56,2
Ti
39
V
20,2
Cr
12,7
Mn
144
Fe
9,98
Co
5,6
Ni
7,2
Cu
1,725
Zn
6,06
Ga
13,6
Ge As Se Br Kr
Rb
13,3
Sr
13,5
Y
59,6
Zr
43,3
Nb
15,2
Mo
5,52
Tc
14,9
Ru
7,1
Rh
4,3
Pd
10,8
Ag
1,629
Cd
6,8
In
8
Sn
11,5
Sb
39
Te I Xe
Cs
21
Ba
34,3
* Hf
34
Ta
13,5
W
5,44
Re
17,2
Os
8,1
Ir
4,7
Pt
10,8
Au
2,271
Hg
96,1
Tl
15
Pb
21,3
Bi
107
Po
40
At Rn
Fr Ra
**
Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
* La
4,7
Ce
Pr
70
Nd
64,3
Pm
75
Sm
94
Eu
90
Gd
131
Tb
115
Dy
92,6
Ho
81,4
Er
86
Tm
67,6
Yb
25
Lu
58,2
**
Ac
Th
14,7
Pa
17,7
U
28
Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

9. Teoría de bandas es la representación como los electrones deslocalizados se mueven a través de bandas
de un material.
Ejemplo: 11Na 1s2 2s22p6 3s1
n átomos de Na 3s1
n orbitales atómicos 3s de Na
n orbitales moleculares deslocalizados
muy próximos, se forma una banda
n orbitales de Na 3p vacíos
A la banda formada por los orbitales 3s1 semillenos se le llama
banda de valencia.
A la banda vacía formada por los orbitales 3p, se la llama banda
de conducción.
Banda de valencia
Banda de conducción
•

10. Material aislante
Materiales semiconductores
Materiales conductores
Diagrama de bandas de los materiales
El nivel de Fermi en cero absoluto donde ningún electrón tendrá suficiente energía para elevarse por encima de la superficie

11. Semiconductor
Banda de
Conducción
Banda de
valencia
Band gap
e-
h+
✓ Los electrones de la banda de valencia adquieran la energía necesaria para acceder a niveles energéticos de la
banda de conducción.
✓ Se forma un par electrón-hueco, un electrón que puede desplazarse libremente por la red cristalina
✓ Los huecos son niveles energéticos disponibles en la banda de valencia. Por tanto, la existencia de un hueco denota
la existencia de un átomo cargado positivamente.
✓ Un hueco no es un ente físico como un electrón; simplemente es un estado energético que indica que un átomo
tiene estados energéticos disponibles en su capa de valencia y está cargado positivamente

12. La conductividad puede escribirse en términos de la movilidad de los portadores de carga

13. ▪ La movilidad es un parámetro importante a evaluar como criterio de selección de materiales
semiconductores pues es un índice de la rapidez de respuesta eléctrica.
▪ La movilidad es superior para el electrón, ya que su localización en la banda de conducción le confiere mayor
energía y menos sometimiento a la acción de los átomos de la red.
▪ La movilidad es menor para los huecos, ya que implica el movimiento de electrones situados en la banda de
valencia, de menor energía y más sometidos a la acción de los átomos.
▪ La constante dieléctrica es una magnitud física que nos cuantifica la capacidad de un material para acumular
carga eléctrica
La mayoría de los
diamantes son
aislantes pero
conductores térmicos
extremadamente
eficientes.

14. 1.2 Tipos de Semiconductores
1.2.1. Semiconductores elementales.
Silicio (Si) y germanio (Ge)
Conductividad Si 4.5 x10-4 S/m; Eg =1.11eV
Conductividad 1.45 S/m ; Eg = 0.67 eV
1.2.2. Compuestos Binarios
Grupo III y V; GaAs(Eg =1.43V)
10-6  cm-1
Grupo II y VI; ZnS
Grupo I y Vll; CuCl (Eg >3eV)
Cristales mixtos; Ga1-xInxN (Eg 2.6-3.2 eV)
Estructura cristalina del Silicio
Mientras mayor sea la diferencia de
electronegatividades entre los elementos,
más grande será el ancho de la brecha de
energía prohibida.
13 14 15 16 17
Fundamentals of Semiconductors, Physics and Materials Properties Yu,
Peter, Cardona, Manuel© 2010

15. 1.2.3. Óxidos
CuO (Eg 1.3-1.7eV); Cu2O (Eg 2.0-2.5 eV) ZnO y TiO2 (Eg 3.2eV)
La2CuO2 semiconductor (Eg  2 eV) → La1-xSrxCuO2 superconductor (Tc 135K)
pueden conducir corrientes con resistencia 0
 superconductor es inferior a 10 -18 Ω·cm.
1.2.4. Semiconductores laminares
MoS2, (Eg 1.3-1.9eV); WS2; GaSe2, PbI2
Nanoscale Horiz., 2019,4, 26-51

16. Grafeno consiste en una red hexagonal, (2D) bidimensional, compuesta puramente de átomos de carbono e
hidrógenos. En el año 2010 a Geim, A. y a Novoselov K recibieron el premio novel, idearon un método utilizando
una cinta adhesiva sobre grafito, obtenían una lamina de un solo átomo de espesor de carbono (grafeno).
Es transparente, flexible, gran
conductor del calor y la electricidad y
es superresistente.
• Conductividad eléctrica del Grafeno: 0.96·108 (Ω·m)-1
• Conductividad eléctrica del Silicio: 4.5·10-4 (Ω·m)-1
El grafeno es más conductor que el silicio, pero no tiene su
resistencia a la conductividad. En otras palabras, el grafeno no
puede dejar de conducir electricidad.
Baterías
Chips
Ruedas
Cubiertas de aviones
Etc.

17. 1.2.5. Semiconductores orgánicos
Los semiconductores orgánicos (OSC) (Eg  2 eV)
orbitales deslocalizados (conjugación π
extendida)
graphitic carbon nitride (g-C3N4)
Energía de banda (HOMO) y el (LUMO)
Top Curr Chem , 2014, 345, 95–138
Carbon nitrides
Phys. Chem. Chem. Phys., 2017,19, 15613-15638
ACS Appl. Electron. Mater. 2021, 3, 12, 5573–5583

18. Los cristales formados por moléculas orgánica que
contienen uniones conjugadas  o incluso polímeros que
contengan uniones conjugadas , los electrones pueden
moverse libremente en los recubrimientos de nubes de
electrones , lo que permite la conducción de la
electricidad.
NHE

19. • El potencial de un electrodo no se mide en una escala absoluta, sino en una relativa
• El electrodo normal de hidrógeno (NHE) se toma frecuentemente como referencia y a su
potencial absoluto se le ha asignado un valor arbitrario de cero. (Pt/1N)
• The polymer was deposited onto the working electrode from chloroform solution. In
order to remove oxygen from the electrolyte, the system was bubbled with nitrogen prior
to each experiment. The nitrogen inlet was then moved to above the liquid surface and
left there during the scans. HOMO and LUMO levels were estimated from peak potentials
of the third scan by setting the oxidative peak potential of ferrocene/ferrocenium
reduction vs. the normal hydrogen electrode (NHE) to 0.63 V, and the NHE vs. the
vacuum level to 4.5 V.

20. 1.2.6. Semiconductores magnéticos
Materiales utilizan simultáneamente la carga y
el espín de los electrones. El momento angular
asociado al espín genera un campo magnético.
En materiales magnéticos de distintos tipos, por
lo general metales, los momentos bipolares
atómicos se alinean (polarizan) y dan lugar a
campos magnéticos.
Cd1−x Mn2Te; Mn0.7Ca0.3O3 ; RbLnSe2 (Eg1 0.81
(); Eg2 2.46 eV ())
1.2.7. Otros semiconductores diversos
CuInSe2( 10-6 to 102 S cm-1 )
Nanoláminas Ti3C2Tx, (Mxenes)
Hf2−2x Ti2xCO2 (0 ≤ x ≤ 1)
(Eg 2.45 to 1.15 eV)
J. Magn. Magn. Mater 2020, 504, 166448
HZB / Martin Künsting
Band structure (spin up Eg1 (↑),
black; spin down Eg2 (↓), blue)

21. 1. 3. Clasificación de los semiconductores
1.3.1. Semiconductores intrínsecos.
1.3.2. Semiconductores extrínsecos
i) Semiconductores tipo n: impurezas donadoras
ii) Semiconductores tipo p: impurezas aceptoras.

22. https://www.rs-online.com/designspark/what-are-semiconductors-definition-types-industries

23. Semiconductor extrínseco. Son materiales semiconductores que no son puros. Se les introducen
átomos (llamados impurezas) en su estructura molecular para aumentar su conductividad eléctrica.
Cuando un SC se calienta los e- de valencia ganan energía de la red y pasan a la banda de
conducción, dejando estados vacantes o huecos en la banda de valencia. (efecto de la T°)
Los semiconductores extrínsecos pueden ser:
Tipo N: introducimos átomos con 5 electrones de valencia. Fósforo (P), Arsénico (As), Antimonio (Sb).
Tipo P: introducimos átomos con 3 electrones de valencia. Boro (B), Galio (Ga), Indio (In).

25. enlaces covalentes

26. Semiconductor Intrínseco. Cristal de Silicio.

27. Semiconductor
Impurezas donadoras
Tipo “n” negativas
Semiconductor tipo n
SiAsx
Extrínseco tipo n
Si

28. Impurezas aceptoras
Tipo “p” positivas
hueco
Semiconductor tipo p
SiPx
Un semiconductor extrínseco (n o p) es el preferido para dispositivos, ya que sus propiedades pueden ser
controladas utilizando impurezas donadoras o aceptoras.
Extrínseco tipo p

29. p-InP and p-GaxIn1–x P
p-CuCr1–xNixO2 (0 ≤ x ≤ 8%)
The commonly used method is to introduce electron-
withdrawing groups (halogen atoms, cyano, etc., for instance)
into π-electron-deficient building blocks to reduce the lowest
unoccupied molecular orbital (LUMO) energy levels, which
reduces the electron injection barrier and effectively improves
electron injection to provide potentially excellent-performing
n-type semiconductors

30. Silicio dopado. Semiconductor extrínseco p
➢ La conductividad aumenta con el dopaje.
➢ Los sitios de dopajes (impurezas, vacancias etc) bajan la energía
de activación para producir electrones móviles.

31. La adición de elementos dopantes en la red de un semiconductor genera los
Semiconductores extrínsecos:
▪ Si se añaden átomos que presentan un electrón adicional en su capa de valencia, este electrón
presenta un nivel de energía cercano a la banda de conducción, este tipo de dopado produce
semiconductores tipo n, debido a que los portadores de carga son mayoritariamente
electrones, cargas negativas.

32. ▪ Si se añaden átomos que presentan un numero menor de electrones de valencia, dejando
un hueco que presenta una energía mayor que la banda de valencia, posibilitando que un
electrón de la banda de valencia llena, alcance el nivel energético del hueco, este tipo de
dopado produce semiconductores tipo p, debido a que los portadores de carga son
mayoritariamente huecos, cargas positivas.

33. Estrategas de síntesis para el dopaje en semiconductores:
Controlar sus propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas.
Agregar impurezas de manera controlada en la estructura del semiconductor.
• Fase gaseosa, fase solida, in situ, etc.
Capas de MoS2 dopadas con Mn se sintetizadas a través de una reacción hidrotérmica supercrítica a
una temperatura de reacción máxima de 400 ° C y una presión máxima de 22 MPa (Tan 2017).
(gas ionizado)

34. J. Phys. Chem. C 2021, 125, 17, 9383-9390
Variación de la proporción de pasos de plasma de hidrógeno a oxígeno
proporciona una plataforma química ajustable para controlar la fase de la
película entre Cu, CuO y Cu2O,
ALD es un proceso de deposición de vapor químico controlado que utiliza
precursores de gas para depositar una película una capa atómica a la vez.

35. Aplicaciones de los semiconductores.
Diodos, transistores, láseres y LED usando semiconductores.
Ejemplo: El diodo es un componente electrónico conformado por dos tipos de materiales diferentes los
cuales se traducen a dos terminales, un ánodo (+) y un cátodo (-).
La unión p-n se utiliza en muchos de estos dispositivos.
Cuando un semiconductor tipo p y otro tipo n se unen, se genera una región con una alta concentración
de electrones seguida de otra con una alta concentración de huecos, en la cual aparece un campo
eléctrico producido por la reordenación de las cargas
Los e- “N” migran a la región “P”, los e- pueden fluir a través del circuito externo, conocida como polarización de un
diodo.
+ -

37. La estructura del diodo permite una reducción de la resistencia, una larga vida útil de los portadores de
carga minoritarios (huecos) y una alta movilidad de los portadores de carga mayoritarios. (electrones) en
capas del material de conductividad de tipo n (Varavin 2020)
Celda solar. MoO3-doped InSe p-type semiconductor,
InSe n-type semiconductor (Liu 2019),

38. Ingeniería de dopaje y funcionalización controlada
para semiconductores MX 2D.
La naturaleza ultradelgada de los materiales 2D
permite varias estrategias de dopaje para su
función en dispositivos.
Doping Engineering and Functionalization of Two Dimensional
Metal Chalcogenides
Nanoscale Horiz., 2019,4, 26-51

43. 2D organic semiconductors, the future of green
nanotechnology
Esta revisión destaca los beneficios de 2D
semiconductores orgánicos, considerando la
importancia de las técnicas estratégicas y sus
aplicaciones.
Nano Materials Science 2019, 4, 246-259

44. https://www.youtube.com/watch?v=cy50YR7kr8c
http://www.cartagena99.com/recursos/alumnos/apuntes/Tema_4A.pdf
http://www.iim.unam.mx/mbizarro/Propiedades%20electricas%20y%20semiconductores.pdf
Fundamentals of Semiconductors, Physics and Materials Properties YU, Peter, Cardona, Manuel© 2010
https://www.youtube.com/watch?v=w14cvydBC8g

45. Summary
Doping is an important technique for semiconductor materials
and devices, yet effective and controllable doping of organic-
inorganic halide perovskites is still a challenge. Here, we
demonstrate a facile way to dope two-dimensional Sn-based
perovskite (PEA)2SnI4 by incorporating SnI4 in the precursor
solutions. It is observed that Sn4+ produces p-doping effect on
the perovskite, which increases the electrical conductivity by
105 times. The dopant SnI4 is also found to improve the film
morphology of (PEA)2SnI4, leading to reduced trap states. This
doping technique allows us to improve the room temperature
mobility of (PEA)2SnI4 field-effect transistors from 0.25 to
0.68 cm2 V−1 s−1 thanks to reduced trapping effects in the
doped devices. Moreover, the doping technique enables the
characterization and improvement of
the thermoelectric performance of (PEA)2SnI4 films, which
show a high power factor of 3.92 μW m−1 K−2 at doping ratio of
5 mol %.
Doping of Sn-based two-dimensional perovskite
semiconductor for high-performance field-effect transistors
and thermoelectric devices
https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.104109
(C6H5C2H4NH3)2

46. Figure 1. Confirmation of
the doping effect of SnI4 on
(PEA)2SnI4
(A) Schematic diagram
showing the structure of
(PEA)2SnI4 and the
SnI4 doping mechanism.
(B) Current-voltage curves
of perovskite films with
different SnI4 ratios.
(C) Electrical
conductivities as a function
of doping ratio calculated
from (B).
(D) The
relative conductivity change
s (σ/σ0) of pristine, 5 mol %
and 20 mol % SnI4-doped
films with time when they
were stored in Ar glove box.
La relación corriente-voltaje (I-V) para un dispositivo es una
corriente medida para un voltaje dado.

47. Titulo, autor, revista
Semiconductor original
Especie dopante n o p (concentración)
Producto formado
Datos propiedades eléctricas (, o  )
Taller. Completar la siguiente tabla y de acuerdo a lo visto en clases, describa la figura
(conductividad, concentración de dopantes, movilidad de huecos, movilidad de electrones.