Semiconductores3

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PANAMÁ

FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRICA

Semiconductores

UNIVERSIDAD TECNÓLOGICA DE PANAMÁ
FACULTAS m EB-ÉeTRieA

Coin(teimido
Introducción....................................................................................................2
Clasificación de los Materiales.....................................................................3
Sem iconductor............................................................................................. d 4o
Tmos de semiconductores......................................................................... 5
1 Semiconductores intrínsecos; Estructura cristalina..................... 5
)
2) Semiconductores extrínsecos. Im nurezas donadoras y
aceotadorasc........................................................................................... .=8
Estructura Atóm ica...................................................................................10
Influencia de !a tem peratura sobre ios sem iconductores.................. 11
Aplicaciones de ios semiconductores-....................................................13
Conclusión..................................................................................................... 14
Trabalos Citados.......................................................................................... 15
Anexos............................................................................................................17
Terminología relacionada con los semiconductores»........................... 17

FACULTAS m !EN@EN£EÍ^A ELÉCTRICA

Introducción

La gran mayoría de fos dispositivos de estado sófido que actualmente hay en e[
mercado sefa6rican con un tipo de materiales conocidos como semiconductores. De ahí que
vamos a empezar nuestro estudio examinando [aspropiedadesfísicas de dichos efementos.
Estudiaremos [as características de Cos materiafes que nos permiten distinguir un
semiconductor de un aisfante y de un conductor y veremos, además, ef dopado de un
semiconductor con impurezas para controfar sufuncionamiento.

Efestudio anterior puede abordarse desde dos puntos de vista:

• Basándonos en fa estructura cristafina de [os semiconductores, y más
concretamente en e f enface covafente.
• Desde ef punto de vista energético, es decir, a través def modefo de Sandas de
energía.

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Clasificación de los Materiales

La materia, en generaC, está constituida por átomos formados por un núcfeo
cargado positivamente y rodeado de Cos eCectrones necesarios que hacen que e f átomo sea
eCéctricamente neutro

Los eCectrones se distribuyen en órbitas que rodean
a f núcCeo.

Los eCectrones de C úftima órbita se denominan
a
eCectrones de vaCencia.

Las diferentes propiedades químicas de Cos materiaCes se deben a que están
formados por átomos distintos, mientras que las distintas fases (só [ida, líquida o gaseosa)
de una misma sustancia se deben a (o más o menosfuertemente unidos que se encuentren
sus átomos, siendo en C fase sófida C distancia interatómica menor. Es decir, en un
a a
sóCido C disposición espaciaC de sus átomos juega un papeC muy importante en C
a a
determinación de sus propiedades específicas. Atendiendo a esta disposición atómica, un
sóCido puede ser: amorfo, podcristaCino o cristadno (verjigura).En un sófído amorfo no se
reconoce ningún orden a Cargo aCcance, esto es, C disposición atómica en cuaCquier
a
porción de un materiaCamofo es totalmente distinta a C de cuaCquier otra porción. Los
a
sóCidos cristaCinos se encuentran en eCextremo opuesto, es decir, en un materiaCcristadno
Cos átomos están distribuidos en un conjunto tridimensionalordenado. Dada cuaCquier
porción de dicho materiaC, se puede reproducir con faciCidadCa disposición atómica en
otra porción deC mismo. FinaCmente, se encuentran Cos sófídos poCicristaCinos o
muCticristafínos, que constituyen un caso intermedio, en eCcuaCeCsóCido estáformado por
subsecciones cristadnas no homogéneas entre sí.

PACUB-TA© m !EN@EN£ERÉA ELÉCTRICA

A partir de ahora centraremos nuestra atención en Cos sóCidos cristadnos.
Atendiendo a sus propiedades eCéctricas -a sus propiedades conductoras- estos sófídos
pueden clasificarse en tres grandes grupos: metaCes, semiconductores y aisCantes. Pero
nosotros nos enfocaremos en Cos materiaCes semiconductores.

Semiconductor

Un semiconductores una sustancia que se comporta como conductor o como aislante
dependiendo de diversosfactores, como por ejemplo elcampo eléctrico o magnético, la
presión, la radiación que le incide, o la temperatura d el ambiente en e l que se encuentre.
Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla
adjunta.

Elemento (Qrupo Electrones en
Ca ú[tima capa
Cd 12 2 e-
A l, Qa, B, In 13 3 e-
S i, C, Qe 14 4 e-
P A s , SS 15 5 e-
Se, Te, (S) 16 6 e-

PACaiB-TA© m !EN@EN£ERÉA ELÉCTRICA

Elelemento semiconductor más usado es elsilicio, elsegundo elgem anio, aunque idéntico
comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos 12 y 13 con los de
los grupos 14 y 15 respectivamente (AsQa, PIn, AsQaAl, TeCd, SeCdy SCd).
Posteriormente se ha comenzado a emplear también el azufre. La característca común a
todos ellos es que son tetravalentes, teniendo elsilcio una configuración electrónica s2 2
p .

Tioos de semiconductores

1) Semiconductores intrínsecos. Estructura cristalina.
En los semiconductores más usuales, silicio y germanio, su estructura cristalina
(disposición atómica que se repite periódicamente en tres dimensiones) es la que aparece
reflejada en la Figura y se denomina "estructura diamantina".

(a) Celda unitaria en la estructura diamante. (b)Ampliación del vértice inferior.

Para comprenderla, hay que tener en cuenta que tanto e l S i como e l Qe poseen 4 electrones
de valencia, esto es, 4 electrones externos. Pues Sien, en la estructura diamantina, cada
átomo está rodeado de 4 átomos vecinos y, además, cada átomo tiende a compartir uno de


sus cuatro electrones de valencia con cada uno de los cuatro átomos vecinos de los que
toma otro electrón en proceso análogo. Las barras de conexión de lafigura anteriorpueden
considerarse como pistas a lo largo de cada una de las cuales se mueven dos electrones en
uno y otro sentido entre los átomos asociados. Esta disposicón de pares de electrones
compartidos entre átomos vecinos es lo que se denomina "enlace covalente ”
.

La Figura anterior es una representación en dos dimensiones de la estructura diamantina
para un semiconductorpuro (sin defectos ni elementos extraños)a una temperatura muy
Saja, esto es, cuando todos los electrones de valencia permanece ligados en los enlaces
covalentes no disponiéndose, por lo tanto, de cargas Ubres que puedan moverse por e l
cristal Sajo la presencia de un campo eléctrico externo aplicado. En este caso, elmaterialse
comporta como un aislante.

Sin embargo, a temperaturas superiores, la vibracón térmica de los átomos de la
red cristalina da lugar a sacudidas en las que se rompen algunos enlaces covalentes
disponiéndose, en ta l caso, de cargas Ubres que pueden moverse por todo e l cristal Esta
situación queda reflejada en la Figura 1.6. La energía necesaria para romper un enlace
covalente ha de ser igualo mayor que E q (el significadof s ic o de este parámetro energético
lo veremos posteriormente en e l modelo de las bandas de energía). E Q es, en esencia, una
energía de ionizacón, pero mucho menor que las energías de ionización de los átomos
aislados ya que muchos átomos d el cristal influyen sobre elmovimiento de cada electrón
ligado. Algunos datos: E q (Si)«1,12 eV y E q (Qe)« 0,7 eV a Ta = 300 %


La peculiaridad más destacable de la vacante dejada en e l enlace covalente es que se
comporta como sifu^era una nueva partícula Ubre de carga positiva +q (q =1,6-1019 C) y
de masa comparable a la d e l electrón. Esta partícula aparente recibe elnombre de "hueco".

Cristal de Silicio en un enlace covalente roto

El mecanismo por el cual los huecos contribuyen a la conducción de corriente
eléctrica puede explcarse cualitativamente como sigue: cuando un enlace está incompleto,
de forma que hay un hueco, es relativamente fácil que un electrón ligado de un átomo
vecino abandone e l enlace covalente para Henar e l hueco. Un electrón que deja su enlace
para Henar un hueco deja, a su vez, otro hueco en su posición inicial Por tanto, e l hueco
se mueve efectivamente en dirección contraria a l electrón ligado. Es decir, e l movimiento
d el hueco puede considerarse como la tranferencia de la ionización de un átomo a otro
efectuada por e l movimiento de los electrones ligados entre sus enlaces covalentes. E l
electrón liberado inicialmente por la vibración térmica no interviene en este proceso y
puede desplazarse de manera totalmente independiente. Se ha convertido en un 'electrón
de conducción".


Por C tanto, en un semiconductor intrínseco (entendiendo como taiun semiconductor en
o
e[ que [os átomos extraños se encuentran en una proporción no mayor de un átomo por
cada 109 átomos d e l propio semiconductor) [os eCectrones de conducción y Cos huecos se
encuentran siempre en iguaC número, ya que a [ romper un enCace covaCente se crean
simuCtáneamente un eCectrón de conducción y un hueco que pueden moverse con
independencia uno deC otro.

2) Sem iconductores extrínsecos. Impurezas
donadoras y aceptadoras.
Puesto que Cos semiconductores intrínsecos presentan e[ mismo número de
eCectrones de conducción que de huecos, no son C suficientemente flexibles para C mayor
o a
parte de Cas apCicacionesprácticas de Cos semiconductores. Para aumentar eCnúmero de
portadores, eCprocedimiento más común consiste en introducir, de manera controCada, una
cierta cantidad de átomos de impureza obteniéndose C que se denomina semiconductor
o
extrínseco o dopado. En ellos, C conducción de corriente eCéctrica tiene Cugar,
a
preferentemente, por uno de Cos dos tipos de portadores.

a) Semiconductor de tipo n. Impurezas donadoras.

En C Figura que se presentará a continuación, aparece reflejada C estructura de
a a
un cristalde S i que resuCta cuando se ha sustituido uno de sus átomos por otro que posee
cinco eCectrones de vaCencia. Dicho átomo encajará sin mayores dificultades en C red
a
cristadna deCSi. Cuatro de sus cinco eCectrones de vaCencia compCetarán C estructura de
a
enlaces, quedando elquinto electrón débiCmente Cigado aCátomo. A temperatura ambiente
e incluso inferiores, este electrón se libera con facilidad y puede entonces moverse por la
red cristalina, por lo que constituye un portador. Es importante señalar que, cuando se
libera este electrón, en la estructura de enlaces no queda ninguna vacante en la que pueda
caer otro electrón ligado. A estos elementos que tienen la propiedad de ceder electrones
Ubres sin crear huecos a l mismo tiempo se les denomina donantes o impurezas donadoras y
se dice que hacen a l semiconductor de tipo nporque a dicha temperatura tenemos muchos
más electrones (portadores negativos) que huecos.
Materiales Semiconductores


Indudablemente, siempre tendremos algunos huecos debido a [os enlaces
covalentes rotos a dicha temperatura. Es decir, en un semiconductor tipo n, Cos eCectrones
de conducción son Cos
portadores mayoritarios
(aunque no exclusivos).

R e d de cristalcon un átomo de
sifício desplazado por un átomo
impurificador pentavalente

J

b) Semiconductor de tipo p. Impurezas aceptadoras.
Un razonamiento similar se puede hacer cuando sustituimos un átomo de S i por otro que
tenga tres eCectrones de vaCencia. Dicho átomo no completa C estructura de enCaces: de ahí
a
que a temperatura ambiente incCuso inferiores un eCectrón ligado de un átomo vecino pase
fáciCmente a ocupar dicha vacante compCetando, de esta forma, C estructura de enlaces y
a
creando aCmismo tiempo un hueco. A estos eCementos que tienenpredisposkónpara
aceptar eCectrones Cigados se Ces conoce con eCnombre de aceptadores o impurezas
aceptadoras y se dice que hacen aCmateriaCde tipo p ya que éste conduce
fundamentaCmente, aunque no deforma exclusiva, mediante Cos huecos cargados
positivamente. Por C tanto, en un semiconductor de tipo p, Cos huecos son Cosportadores
o
mayoritarios y Cos eCectrones Cos minoritarios, es decir, siempre existen unos pocos
eCectrones que proceden de C rotura estadística de enCaces covalentes a dicha temperatura.
a
Entre los donantes más corrientes para e lS i se encuentran elfósforo, eCarsénico o eC
antimonio, siendo e l fósforo e l más común.


Red de cristal con un átomo de
silicio desplazado por un átomo
impurificado trivalente.

Entre [os aceptadores habituaCes para e f S i se encuentran e[ boro, efgafio, ef
indio o el aluminio, siendo el boro el más común.
FinaCmente, es de señaCar, que cuando e f átomo donador (o aceptador) cede (o admite)
eCectrones queda cargado positivamente (o negativamente). Sin embargo, eCión
correspondiente tiene su estructura de enCaces compfeta. Es una cargafija que no puede
contribur a C conducción de corriente eléctrica.
a

Estructura Atómica

Como sabemos existen materiaíes capaces de conducir C corriente eCéctrica mejor que otros.
a
Qenerafízando, se dice que Cos materiales que presentan poca resistencia aCpaso de Ca
corriente eléctrica son conductores. Anaógicamente, los que ofrecen mucha resistencia a l
paso de esta, son llamados aislantes. No existe elaislante perfecto y prácticamente
tampoco e l conductorperfecto.
Existe un tercer grupo de materiales denominados semiconductores que, como su nombre lo
indica, conducen la corriente bajo ciertas condiciones.


Lo que diferencia a cada grupo es su estructura atómica. Los conductores son,
generalmente, metales esto se debe a que dichos poseen pocos átomos en sus últimas órbitas
y, por lo tanto, tienen tendencia a perderlos confacilidad. De esta forma, cuando varios
átomos de un metal, se acercan los electrones de su última órbita se desprendeny circuían
desordenadamente entre una verdadera redde átomos. Este hecho (libertad de los
electrones)favorece en gran medida e l paso de la corriente eléctrica.
Los aislantes, en cambio, están formados por átomos con muchos electrones en sus últimas
órbitas (cinco a ocho), por lo que, no tienen tendencia a perderlosfácilmente y a no
establecer una corriente de electrones. De ahí su alta resistencia.
También existe otro tercer tipo de materiales, que cambia en mayor o menor medida la
característica de los anteriores, los semiconductores. Su característica principales la de
conducir la corriente sólo Sajo determinadas circunstancias, y evitar e l paso de ella en
otras.
Es, precisamente, en este tipo de materiales en los que la electrónica de estado sólida está
basada. La estructura atómica de dichos materiales presenta una característica común:
estáformada por átomos tetravalentes (es decir, con cuatro electrones en su última órbita)
por lo que les esf á c il ganar cuatro o perder cuatro.

Influencia de la temperatura sobre los
semiconductores

A lpresentar e l concepto de portadores mayoritarios y minoritarios se ha asumido una
hipótesis de trabajo: que a temperatura ambiente (25°C) la concentración de portadores
provocada por generación térmica es mucho menor que la causada por los dopados. Pues
Sien, si se eleva la temperatura sobre la de ambiente se aumentará la tasa de pares
electrón/hueco generados. Llegará un momento en elque, si la temperatura es lo
suficientemente elevada, la cantidad de pares generados enmascare a los portadores
presentes debidos a la impurificación. En ese momento se dice que e l semiconductor es
degenerado, y a partir de ahí no se puede distinguir si un materiales de tipo N ó P: es la
temperatura a la cual los dispositivos electrónicos dejan de operar correctamente. En e l
caso d e l silicio, esta temperatura es de 125 °C


Propiedades de los semiconductores.

Una propiedad importante en Cos semiconductores es que posibilita elpoder modificar su
resistividad de manera controlada entre márgenes muy ampios. La razón primera de este
comportamiento diferente reside en su estructura atómica, básicamente en C distancia
a
interatómica de sus átomos en C red así como eCtipo de enCace entre ellos.
a

En generaCuna cierta pérdida de carácter covalentepuro, en eCsentido de desplazar eC
centro de gravedad de C carga hacia uno u otro átomo. ECparámetro que determina este
a
despCazamiento es C eCectronegatividadde Cos átomos constituyentes. Cuanto más
a
diferente sea, mayor será eldesplazamiento y elenlace será más iónico que covalente.

La estructura cristaCina de Cos semiconductores es en generaCcompCeja aunque puede
visuaCizarse mediante superposición de estructuras más sencillas. La estructura más
común es la d el diamante, común a los semiconductores S i y Qe, y la d el Zinc-Blenda que
es la d el Arseniuro de Qalio. En estas redes cristalinas cada átomo se encuentra unido a
otros cuatro mediante enlaces covalentes con simetría tetraédrica. Se requiere que posean
unas estructuras cristalinas únicas, es decir, que sea monocristal Dependiendo de cómo se
obtengan éste puede presentarse enforma de monocristal, policristaly amorfo. E l
comportamiento eléctrico de los materiales semiconductores (resistividad y movilidad) así
como sufuncionamiento depende de C estructura cristaCina deCmateriaCde base, siendo
a
imprescindible C forma monocristafína cuando se requiere Cafabricación de circuitos
a
integrados y dispositivos eCectroópticos (Cáser, Ceds).

En C referente aCtransporte de carga en semiconductores eCfenómeno de Cas coCisiones de
o
Cosportadores con otros portadores, núcCeos, iones y vibraciones de C red, disminuye C
a a
moviCidad Ello guarda relación con e l parámetro de la resistividad (o conductividad)


definido como lafa cilid a d para la conducción eléctrica, depende intrínsecamente d el
m aterial en cuestión y no de su geometría. A s í pues en losfenómenos de transporte en
semiconductores y a diferencia de los metales, la conduccón se debe a dos tipos de
portadores, huecos y electrones.

Aplicaciones de los semiconductores.
Las aplicaciones de los semiconductores se dan en diodos, transistores y termisores
principalmente. Diodos: A lu n iru n semiconductor N con otro P se produce unfenómeno
de difusión de cargas en la zona de contacto, que crea una barrera de potencial que impide
a los demás electrones de la zona N saturar los restantes huecos positivos de la zona.
S i unimos un generador como se indica en lafigura los electrones Ubres de la zona N son
repelidos por elpolo negativo y los huecos de la zona P p o r elpolo positivo, hacia la región
de transición, que atraviesan La corriente pasa. No ocurriría esto si la conexión se
hubiera hecho con la polaridad invertida. E l dispositivo es un “
diodo semiconductor”y
actúa como rectficador de corriente.

Transistores: Un transistor está constituida por dos zonas: 1.- Dos N separadas por una
P (transistor NPN), esta disposición proporciona a l conjunto unas propiedades
particulares, en especialamplficadoras. 2. - Dos P separadas por una N (transistor PNP),
permiten actuar soSre la intensidadde la corriente
electrónica que pasa entre dos cristales semiconductores
d el mismo tipo, por medio de un electrodo metálico
aislado por una delgada capa de óxido. Un transmisor
se emplea, sobre todo, como amplificadory también en
ordenadores, como interruptor rápido de la corriente.

Termisores: Se llama así a los semiconductores que son sensibles a los cambios de
temperatura, o mejor, a aquellos en que las variaciones tienen, frente a la composición, un
gran valor. Los materiales más usados son óxidos de Cobalto (CoO), de Hierro (FeO), de
Magnesio (MgO), Manganeso (MnO), N íquel(N iO )y Titanio (TiO). Se utilizan enforma
de bola, disco o varilla, indicando con esto la forma en que se separa el material base del
termisor. En e l de Sola se aplica la mezcla de óxido enforma viscosa entre dos hilos


paralelos de Platino con una pequeña gotita, aproximadamente 1 mm. de diámetro y por
y por cocción queda sujeta a [os hHos. Cuando se usan enforma de discos o varillas se
preparan por sintetizado. Sus aplicaciones son para medir C temperatura, medidas de
a
vacío y en Cos circuitos de comunicaciones como reguladores de tensión y (imitadores de
volumen.

Conclusión

Las propiedades conductivas de (os materiales varían según e(tipo de átomos que
poseen, (o que permite clasificaros en aislantes, conductores y semiconductores.
Un semiconductor es un materiaCque posee tanto propiedades aisCantes como
conductivas.
Los semiconductores más utifízados e importantes son els^licio y eCgemanio.
Un semiconductorpuede “
degenerarse”si experimenta aCta temperatura.
Los semiconductores pueden ser modificados para cambiar su conductividad
eCéctrica, manipuCando C distancia entre sus átomos.
a
Todos Cos semiconductores son tetravalentes.
La estructura más común de un semiconductor es la cristalina, especficamente en
forma de diamante.

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