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Electrnica Analgica Fsica de losSemiconductores

1. FSICA DE LOS SEMICONDC!O"ES

Los semiconductores constitu#en son los materiales slidos cla$e en la %a&ricacin dedis'ositi$os electrnicos. Sus 'ro'iedades( los )an con$ertido en el elemento%undamental 'ara el desarrollo de la in%orm*tica( los electrodom+sticos # las

telecomunicaciones.

La %sica de los semiconductores es un con,unto de teoras # modelos -ue e'lican elcom'ortamiento de los semiconductores &a,o di$ersas condiciones.

1.1 MODELO DE LAS /ANDAS DE ENE"0A

El modelo de &andas 'ermite e'licar con una ecelente a'roimacin el %enmeno de laconduccin el+ctrica en los slidos. Segn este modelo( la materia est* constituida 'or*tomos( cu#os electrones se distri&u#en en &andas de energa. La &anda m*s eterna conelectrones es la &anda de $alencia 2E$3. 4ara -ue un electrn esca'e de la atraccin delncleo( es necesario -ue ad-uiera la energa su%iciente 2Eg3 -ue le 'ermita saltar a la&anda de conduccin 2Ec3. 4or lo tanto5 Eg 6 Ec 7 E$. El es'acio intermedio entre la&anda de $alencia # la de conduccin se denomina &anda 'ro)i&ida( # re'resenta $aloresde energa -ue no 'ueden tener los electrones.

1.8 AISLAN!ES( CONDC!O"ES 9 SEMICONDC!O"ES

Segn el modelo de las &andas de energa( los slidos se clasi%ican en5 aislantes( metales

# semiconductores.

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En un &uen aislante( la &anda 'ro)i&ida es mu# anc)a. 4or lo tanto( es necesariosuministrar una gran cantidad de energa 'ara -ue sus electrones salten de la &anda de$alencia a la de conduccin # contri&u#an as a la conduccin de corriente el+ctrica.

En un &uen metal( las &andas de conduccin # de $alencia se sola'an. 4or lo tanto( se

necesita mu# 'oca energa 'ara mantener una conduccin de corriente el+ctrica ele$ada.Eisten algunos slidos como el silicio # el germanio -ue tienen una estructura de &andasseme,ante a la de los aislantes. Sin em&argo( en ellos la &anda 'ro)i&ida es estrec)a( demodo -ue es 'osi&le ecitar 2'or e,em'lo( 'or e%ecto t+rmico3 los electrones con ma#orenerga de la &anda de $alencia # trans%erirlos a la de conduccin.

4or lo tanto( en el caso de un semiconductor se 'uede )a&lar tanto de una conduccin 'orlos electrones en la &anda de conduccin( como de conduccin 'or los )uecos -ue segeneran en la &anda $alencia # -ue se com'ortan como cargas 'ositi$as. El )ec)o de -uesu &anda 'ro)i&ida sea estrec)a 2Eg : 1e;3 'ermite &om&ear electrones a la &anda deconduccin sin m*s -ue ele$ar su%icientemente la tem'eratura.

1.< SEMICONDC!O"ES IN!"NSECOS

n semiconductor intrnseco es un semiconductor 'uro cu#a estructura cristalina est*%ormada eclusi$amente 'or *tomos del 'ro'io semiconductor( sin -ue est+ incrustada enella ningn *tomo de otro material( es decir( no contiene im'ure=as de ningn ti'o. Cada*tomo tiene > electrones de $alencia -ue com'arte con cada unos de los *tomos $ecinosmediante la %ormacin de enlaces co$alentes. A continuacin se anali=a el semiconductorintrnseco en %uncin de la tem'eratura 2!35

A ! 6 ?@( todos los electrones de la &anda de $alencia est*n %ormando enlaces

co$alentes entre los *tomos( 'or lo -ue no eisten electrones li&res en la &anda deconduccin. El cristal se com'orta como un aislante 'er%ecto.

Si ! ( se 'roduce el mo$imiento aleatorio 'or agitacin t+rmica. No o&stante(este %enmeno toda$a no 'ro'orciona la su%iciente energa como 'ara rom'er losenlaces co$alentes # )acer -ue los electrones salten de la &anda de $alencia a lade conduccin.

A ! 6


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Si !


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1.> SEMICONDC!O"ES EH!"NSECOS

Los semiconductores intrnsecos no 'resentan 'ro'iedades 'r*cticas( 'or esto se lesaaden im'ure=as 'ara alterar la 'ro&a&ilidad de ocu'acin de las &andas de energa( #'or lo tanto( aumentar la conducti$idad de los mismos.

Si a un semiconductor intrnseco se le aade un 'e-ueo 'orcenta,e de im'ure=as( elsemiconductor se denomina etrnseco # se dice -ue est* do'ado. E$identemente( lasim'ure=as de&er*n %ormar 'arte de la estructura cristalina sustitu#endo al corres'ondiente*tomo de silicio o germanio.

La im'ure=as utili=adas en un semiconductor etrnseco 'ueden ser5

4enta$alentes5 im'ure=as con cinco electrones en la ltima ca'a. Son im'ure=as'enta$alentes5 %s%oro( ars+nico( antimonio( etc.

!ri$alentes5 im'ure=as con tres electrones en la ltima ca'a. Son im'ure=astri$alentes5 aluminio( indio( galio( etc.

1.>.1 SEMICONDC!O"ES EH!"NSECOS DE !I4O N

En un cristal de silicio o de germanio do'ado con im'ure=as 'enta$alentes( al %ormarse laestructura cristalina( el -uinto electrn no est* ligado en ningn enlace co$alente(encontr*ndose( an sin estar li&re( en un ni$el energ+tico su'erior a los cuatro restantes.

A continuacin( se anali=a el un semiconductor etrnseco( do'ado con ND im'ure=asdonadoras( en %uncin de la tem'eratura 2!35

A ! 6 ?@( todos los electrones de la &anda de $alencia est*n %ormando enlacesco$alentes entre los *tomos. El -uinto electrn de las im'ure=as se encuentraligado al *tomo. No eisten electrones li&res en la &anda de conduccin. El cristalse com'orta como un aislante 'er%ecto.

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Si ! ( a'arece el mo$imiento aleatorio 'or agitacin t+rmica. Este %enmenotoda$a no 'ro'orciona la su%iciente energa como 'ara rom'er los enlacesco$alentes # )acer -ue los electrones salten de la &anda de $alencia a la deconduccinJ en cam&io( s -ue 'ro'orciona la energa su%iciente como 'ara

arrancar el -uinto electrn de algunas im'ure=as( con$irti+ndose en un electrnli&re. Las im'ure=as em'ie=an a ioni=arse5 ND

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A continuacin( se anali=a el com'ortamiento de un semiconductor etrnseco( do'adocon NAim'ure=as ace'tadoras( en %uncin de la tem'eratura 2!35

A ! 6 ?@( todos los electrones de la &anda de $alencia est*n %ormando enlaces

co$alentes entre los *tomos. No eisten electrones li&res en la &anda deconduccin. El )ueco de las im'ure=as se encuentra $aco. Aislante 'er%ecto.

Si ! ( a'arece el mo$imiento aleatorio 'or agitacin t+rmica. Este %enmenotoda$a no 'ro'orciona la su%iciente energa como 'ara rom'er los enlacesco$alentes # )acer -ue los electrones salten de la &anda de $alencia a la deconduccinJ en cam&io( s -ue 'ro'orciona la energa su%iciente como -ueelectrones ligados de otros enlaces co$alentes se 'asen a los enlaces co$alentesincom'letos de las im'ure=as. Las im'ure=as em'ie=an a ioni=arse5 NA

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$alencia en ma#or nmero -ue electrones en la &anda de conduccin( de modo -ue a)orason los )uecos los 'ortadores ma#oritarios # los electrones los 'ortadores minoritarios.

' concentracin de electrones li&res NA nNAconcentracin de im'ure=as ioni=adas

n concentracin de electrones li&res de&ido a la rotura de enlaces co$alentes

Al igual -ue en el caso anterior( el cristal sigue siendo el+ctricamente neutro( #a -ue alincor'orarse un electrn a la im'ure=a( +sta se con$ierte en un in negati$o. Laconcentracin de iones negati$os 2NA3 no contri&u#e a lle$ar corriente el+ctrica.

Conclusiones

El )ec)o de -ue en un semiconductor etrnseco eistan dos concentraciones de cargasm$iles 2'ortadores ma#oritarios # 'ortadores minoritarios3( )ace -ue el semiconductor

etrnseco tenga car*cter uni'olar( 'uesto -ue la conduccin de corriente 'uede 'ro$ieneen ma#or medida de un ti'o de 'ortador -ue de otro 2electrones en el caso de unsemiconductor de ti'o N # )uecos en el caso de uno de ti'o 43.

Com'arado con un semiconductor intrnseco( en un semiconductor etrnseco el numerode cargas m$iles aumenta enormemente 2generacin intrnseca electrones li&res'ro$enientes de las im'ure=as3( lo cual re'ercute tam&i+n en un aumento mu# destaca&lede la conducti$idad.

1.K CONDCCIN DE CO""IEN!E

asta a)ora se )a descrito el com'ortamiento del semiconductor en la situacin dee-uili&rio. En la situacin de e-uili&rio( no eiste mo$imiento neto de 'ortadores( 'or lo-ue la corriente total es nula.

Slo cuando el semiconductor sea 'ertur&ado )a&r* una res'uesta neta de 'ortadores antecausa eterna( es decir( corriente el+ctrica51. 4or un lado( la de&ida al mo$imiento de los electrones li&res en la &anda de

conduccin.8. 4or otro lado( la de&ida al des'la=amiento de los electrones ligados de los enlaces

co$alentes( -ue tender*n a saltar a los )uecos 'rimos. 4or lo tanto( 'odemosconsiderar los )uecos como un %lu,o de corriente.

Eisten tres ti'os 'rimarios de res'uesta de un 'ortador ante una causa eterna5

1. Mecanismo de arrastre.8. Mecanismo de di%usin.


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A continuacin anali=aremos los dos 'rimeros.

1.K.1 MECANISMO DE A""AS!"E

El arrastre es el mo$imiento neto de 'artculas cargadas de&ido a un cam'o el+ctrico.

4ara cam'os el+ctricos &a,os # moderados se o&ser$a -ue la $elocidad de arrastre esdirectamente 'ro'orcional al cam'o el+ctrico. Esa constante de 'ro'orcionalidad sede%ine en $alor a&soluto # se denomina mo$ilidad.

La mo$ilidad es el 'ar*metro %undamental en el mecanismo de arrastre # re'resenta lama#or o menor %acilidad con -ue un cam'o el+ctrico es ca'a= de acelerar electrones #)uecos en su mo$imiento a tra$+s de la red cristalina del semiconductor.

En rangos normales de do'a,e( la mo$ilidad de los electrones es ma#or -ue la de los)uecos5 n '. En la 'r*ctica( la mo$ilidad de los electrones es( a'roimadamente( eldo&le -ue la de los )uecos5 n8'.

La mo$ilidad no es una magnitud constante( 'uesto -ue de'ende de la tem'eratura # de laconcentracin total de im'ure=as5

Si ! mo$imiento aleatorio de agitacin t+rmica c)o-ues con la redcristalina

Si NADo&st*culos en la red cristalinac)o-ues con la red cristalina

Deduccin de la densidad de corrienteJa = f

E( )

Consideremos una &arra de material semiconductor de longitud L # seccin A( sometida a

un cam'o el+ctrico E 5

E

LJ

+

+

-

- A

E

LJ

+

+

-

- A


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c concentracin de 'ortadores 'or cm

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