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Semiconductores intrínsecos y dopados: tipos N y P
- 1. SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Y SEMICONDUCTORES DOPADOS Walther Leocadio Bailón Paucar
- 2. SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO Un material semiconductor hecho sólo de un único tipo de átomo, se denomina semiconductor intrínseco. Los más empleados históricamente son el germanio (Ge) y el silicio (Si); siendo éste último el más empleado (por ser mucho más abundante y poder trabajar a temperaturas mayores que el germanio).
- 3. Cada átomo de un semiconductor tiene 4 electrones en su órbita externa (electrones de valencia), que comparte con los átomos adyacentes formando 4 enlaces covalentes. De esta manera cada átomo posee 8 electrones en su capa más externa., formando una red cristalina, en la que la unión entre los electrones y sus átomos es muy fuerte. Por consiguiente, en dicha red, los electrones no se desplazan fácilmente, y el material en circunstancias normales se comporta como un aislante. Sin embargo, al aumentar la temperatura, los electrones ganan energía, por lo que algunos pueden separarse del enlace e intervenir en la conducción eléctrica. De esta manera, la resistividad de un semiconductor disminuye con la temperatura (su conductividad aumenta). A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, se les somete al potencial eléctrico, como por ejemplo de una pila, se dirigen al polo positivo. Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, cuyo efecto es similar al que provocaría una carga positiva.
- 4. Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. La conducción eléctrica a través de un semiconductor es el resultado del movimiento de electrones (de carga negativa) y de los huecos (cargas positivas) en direcciones opuestas al conectarse a un generador. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas: una debida al movimiento de los electrones libres de la estructura cristalina, y otra debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos, originando una corriente de huecos. Los electrones libres se dirigen hacia el polo positivo de la pila (cátodo), mientras que los huecos pueden considerarse como portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila, llamado ánodo (hay que considerar que por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica; los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor
- 5. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS Para mejorar las propiedades de los semiconductores, se les somete a un proceso de impurificación (llamado dopaje), consistente en introducir átomos de otros elementos con el fin de aumentar su conductividad. El semiconductor obtenido se denominará semiconductor extrínseco. Según la impureza (llamada dopante) distinguimos:
- 6. Semiconductor tipo P : se emplean elementos trivalentes (3 electrones de valencia) como el Boro (B), Indio (In) o Galio (Ga) como dopantes. Puesto que no aportan los 4 electrones necesarios para establecer los 4 enlaces covalentes, en la red cristalina éstos átomos presentarán un defecto de electrones (para formar los 4 enlaces covalentes). De esa manera se originan huecos que aceptan el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina. Así, al material tipo P también se le denomina donador de huecos (o aceptador de electrones).
- 7. Semiconductor tipo N: Se emplean como impurezas elementos pentavalentes (con 5 electrones de valencia) como el Fósforo (P), el Arsénico (As) o el Antimonio (Sb). El donante aporta electrones en exceso, los cuales al no encontrarse enlazados, se moverán fácilmente por la red cristalina aumentando su conductividad. De ese modo, el material tipo N se denomina también donador de electrones.
- 8. Cristal Semiconductor intrínseco: A simple vista es imposible que un semiconductor permita el movimiento de electrones a través de sus bandas de energía Idealmente, a T=0ºK, el semiconductor es un aislante porque todos los e- están formando enlaces. Pero al crecer la temperatura, algún enlace covalente se puede romper y quedar libre un e- para moverse en la estructura cristalina. Representación bidimensional de la estructura cristalina del Si El hecho de liberarse un e- deja un “hueco” (partícula ficticia positiva) en la estructura cristalina. De esta forma, dentro del semiconductor encontramos el electrón libre (e-), pero también hay un segundo tipo de portador: el hueco (h+) INTRODUCCIÓN
- 9. Eg (Ge) 0,7 eV Eg (Si) 1,1 eV T = 0 K Eg E Banda de valencia Banda prohibida Banda de conducción Modelo de bandas de energía: Conducción intrínseca T > 0 K n: nº electrones/m3 p: nº electrones/m3 ni: densidad intrínseca de portadores n =·p = nin =·p = ni FFI-UPV.es
- 10. n =·p = nin =·p = ni n: número de electrones (por unidad de volumen) en la banda de conducción p: número de huecos (por unidad de volumen) en la banda de valencia ni: concentración intrínseca de portadores Modelo de bandas de energía: Conducción intrínseca En un semiconductor perfecto, las concentraciones de electrones y de huecos son iguales: T > 0 K FFI-UPV.es FFI-UPV.es T=300 K GaAs Si Ge ni (port./cm3) 1.8·106 1.5·1010 2.4·1013 Eg: GAP (eV) 1.42 1.12 0.66 Conductividad (-1 cm-1) 2.4 10-9
- 11. Estructura de un metal + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1023 e- libres/cm3 Estructura de un semiconductor 1013 e- libres/cm3
- 12. -3 50 ) m 18 10 40 3 EgGe 2 2kT seca( 30 ni AT e nírtni ón 20 ci a r oncent 10 Si C 0 250 275 300 325 350 375 400 T (K) Si 0 250 275 300 325 350 375 400 T (K) 10 20 30 40 50 Concentraciónintrínseca(1018 m-3 ) Ge ni AT2e 2kT Eg3 T > 0 K 2kT Eg n f(t) AT2e 3 i Modelo de bandas de energía: Conducción intrínseca Dependencia con la Temperatura: Gráfico ni = f(T)
- 13. Semiconductor Intrínseco: Intrínseco indica un material semiconductor extremadamente puro contiene una cantidad insignificante de átomos de impurezas. En él se cumple: Semiconductor Extrínseco: En la práctica nos interesa controlar la concentración de portadores en un semiconductor (n o p). De este modo se pueden modificar las propiedades eléctricas: conductividad Para ello se procede al proceso de DOPADO: Un pequeño porcentaje de átomos del SC intrínseco se sustituye por átomos de otro elemento (impurezas o dopantes). Estas impurezas sustituyen a los átomos de Silicio en el cristal formando enlaces. De este modo podemos Favorecer la aparición de electrones (Semiconductores Tipo N: donde n > p) Favorecer la aparición de huecos (Semiconductores Tipo P: donde p>n). n =·p = nin =·p = ni
- 14. Caso particular del Silicio Material extrínseco Tipo n: Se ha dopado con elementos pentavalentes (As, P o Sb) que tienen 5 electrones en la última capa: IMPUREZA DONADORA. Al formarse la estructura cristalina, el quinto electrón no estará ligado en ningún enlace covalente. Con muy poca energía (sólo la térmica, 300 K) el 5º electrón se separa del átomo y pasa la banda de conducción. La impureza fija en el espacio quedará IONIZADA (cargada positivamente) En un semiconductor tipo n, los dopantes contribuyen a la existencia “extra de electrones”, lo cuál aumenta “enormemente” la conductividad debida a electrones . n >>·pn >>·p http://enciclopedia.us.es/index.php/Semiconductor
- 15. Caso particular del Silicio Material extrínseco Tipo P: Cuando se sustituye un átomo de Si por un átomo como (Boro, Galio) que tienen 3 electrones en la última capa: IMPUREZA ACEPTADORA. Al formarse el cristal, los tres electrones forman el enlace covalente con los átomos de Si, pero queda un hueco (un enlace vacante). A ese hueco se pueden mover otros electrones que dejarán a su vez otros huecos en la Banda de Valencia. La impureza fija en el espacio quedará cargada negativamente En un semiconductor tipo p, los dopantes contribuyen a la existencia “extra de huecos” sin haber electrones en la banda de conducción. p >>·np >>·n http://enciclopedia.us.es/index.php/Semiconductor
- 16. Caso particular del Silicio Donadores y aceptadores para el Si FFI-UPV.es 1 2 H He 1,008 4,003 3 4 5 6 7 8 9 10 Li Be B C N O F Ne 6,941 9,012 10,811 12,011 14,007 15,999 18,998 20,183 11 12 13 14 15 16 17 18 Na Mg Al Si P S Cl Ar 22,990 24,305 26,982 28,086 30,974 32,064 35,453 39,948 19 20 ... 30 31 32 33 34 35 36 K Ca Zn Ga Ge As Se Br Kr 39,10 40,08 65,37 69,72 72,59 74,92 78,96 79,91 83,80 37 38 ... 48 49 50 51 52 53 54 Rb Sr Cd In Sn Sb Te I Xe 85,47 87,62 112,40 114,82 118,89 121,75 127,60 126,90 131,30 55 56 ... 80 81 82 83 84 85 86 Cs Ba Hg Tl Pb Bi Po At Rn 132,91 137,33 200,59 204,37 207,19 208,98 (210) (210) (222)
- 17. S+b S+b S+b S+b S+b S+b S+b S+b S+b S+b S+b S+b S+b S+b S+b S+b Impurezas grupo V 300ºK Electrones libres Átomos de impurezas ionizados Resumiendo, semiconductores extrínsecos Material extrínseco Tipo N: Impurezas del grupo V de la tabla periódica. Con muy poca energía se ionizan (pierden un electrón. Material extrínseco Tipo P Impurezas del grupo III de la tabla periódica A T=300 K todos los átomos de impureza han captado un electrón. Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son Electrones libres A-l A-l A-l A-l A-l A-l A-l A-l A-l A-l A-l A-l A-l A-l A-l A-l 300ºK Huecos libres Átomos de impurezas ioniza Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Huecos: Actúan como portadores de carga positiva.