SEMICONDUCTORES

ESPACIO: “ELECTRÓNICA “/ UNIDAD I

Prof. Ing. Alfredo G. Rivamar

-Abril 2009-

DIRECCIÓN GENERAL DE ESCUELAS

DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR

I.E.S. Nº 9-012 “SAN RAFAEL EN INFORMÁTICA”

TEMAS

•Conductores.

•Semiconductores.

•Semiconductores intrínsecos.

•Semiconductores extrínsecos. Tipos.

Objetivos

•Reconocer, a nivel atómico, las características de los conductores y de los semiconductores.•Describir la estructura de un cristal de Silicio.•Conocer los dos tipos de portadores y las clases de impurezas que los convierten en mayoritarios.

Conductividad de un Material

•Relación inversa con la Resistividad ρ (rho) del material.•ρ : se mide en Ω-cm u Ω-m

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Modelo atómico de BOHR

•Átomo: se compone de tres partículas básicas (electrón, protón y el neutrón).•Núcleo: formado por los protones y neutrones. •Electrones: se mueven alrededor del núcleo sobre una órbita fija.•Órbita exterior: órbita de VALENCIA, (-1). Determina las propiedades eléctricas del átomo.

Conductores

•Núcleo +: atrae electrones orbitales.•Parte interna (CORE): núcleo (+ 29) y tres primeras órbitas (-28).•Órbita exterior: órbita de VALENCIA, (-1). Determina las propiedades eléctricas del átomo.•Carga parte Interna: + 1; (+29-28)•Electrón de Valencia (electrón libre) débilmente atraído.•Una fuerza externa puede arrancar fácilmente este electrón libre del átomo de Cu.•Por esto el Cu es un buen conductor.•Otros buenos conductores (plata, oro): tienen UN electrón de valencia.

Semiconductores

•GERMANIO: 32 electrones en órbitas. 4 electrones de Valencia.•SILICIO: 14 electrones en varias órbitas. 4 electrones de Valencia.•Potencial de ionización: el potencial requerido para movilizar cualquier electrón de valencia.•Menor que el requerido por cualquier otro electrón dentro de la estructura.•Átomos tetravalentes: los cuatro electrones de valencia se encuentran unidos a cuatro átomos adjuntos. Para cristales puros de Si y de Ge.

Enlaces Covalentes

•Es una unión de átomos fortalecida por el compartimento de electrones.•Causas naturales: causas que permiten a los electrones de valencia absorber suficiente energía cinética para romper la unión covalente y asumir el estado “libre”.•Estado “libre”: el movimiento del electrón de valencia es muy sensible a campos eléctricos aplicados, a la energía lumínica en forma de fotones y la energía térmica del medio que lo rodea.

Materiales Intrínsecos

•Todos aquellos semiconductores que han sido cuidadosamente refinados para reducir las impurezas a un nivel muy bajo.•Portadores Intrínsecos: son los electrones “libres” localizados en el material que se deben sólo a causas naturales.•Germanio: 2.5 * 10(13) portadores libres por cm3.•Silicio: 1.5 * 10 (10) portadores libres por cm3.•Estos valores indican que el “Ge” es mejor conductor que el “Si” a temperatura ambiente (se refleja en la ρ (Ge) < ρ (Si)).

Efecto de la Temperatura

SEMICONDUCTORES: COEFICIENTE DE TEMPERATURA NEGATIVO

•Un incremento puede generar un aumento sustancial en el número de electrones libres en el material.

•A medida que aumenta desde el cero absoluto (O K), un nº mayor de electrones de valencia absorben suficiente energía térmica como para romper la unión covalente y contribuir así al incremento de los portadores libres.

•Aumenta el índice de conductividad y generará un menor nivel de resistencia.

CONDUCTORES: COEFICIENTE POSITIVO DE TEMPERATURA

•Recordar que la resistencia de casi todos los conductores se incrementará con la temperatura, dado que el nº de portadores en un conductor no se incrementará significativamente con la temperatura pero si aumentará la dificultad para que los electrones pasen a través del conductor.•Entonces, un incremento en la temperatura, genera un aumento del nivel de resistencia y un coeficiente positivo de temperatura.

Tanto el “Si” como el “Ge” muestran una reducción de su resistencia con el aumento de la temperatura=CTN.

Niveles de Energía

Niveles de energía discretos en estructuras atómicas aisladas: entre estos niveles existen bandas vacías dentro de las cuales no pueden aparecer electrones..

Bandas de conducción y de valencia de un aislador, semiconductor y conductor.

*

Átomos de un material unidos conformando una red cristalina:

•Existe una interacción entre los átomos.

•Electrones dentro de una órbita en particular de un átomo tienen ligeras diferencias en sus niveles de energía respecto a los electrones en la misma órbita de un átomo aislado.

•Resultado neto: expansión de la banda de los niveles discretos de estados de energía posibles para los electrones de valencia. Ver *•Región prohibida: entre la banda de valencia y el nivel de ionización.

Ionización: mecanismo mediante el cual un electrón puede absorber suficiente energía para separarse de su estructura atómica y entrar en la banda de conducción.

Energía del electrón: eV (electrón volts)

1 eV = 1,6 * 10 -19 J

Efecto de la Temperatura

•A 0 K (cero absoluto, -273.15 ºC), todos los electrones se encuentran en la capa exterior del átomo con niveles de energía asociados con la banda de valencia. Ver figura *.

•A temperatura ambiente (300 K, 25 ºc), un gran nº de electrones adquirió energía suficiente para dejar la banda de valencia y han atravesado la banda de energía vacía Eg (ver figura *) y entrado en la banda de conducción.

Efecto de la Temperatura

Aislantes: con frecuencia, 5 eV o más, lo que limita drásticamente el nº de electrones que pueden ingresar a la banda de conducción a temperatura ambiente.

Conductores: tiene electrones en la banda de conducción AUN a 0 K, esto implica que a Tº ambiente existen portadores libres más que suficientes para soportar un gran flujo de carga o corriente.

•Eg Si: 1,1 eV•Eg Ge: 0,67 eV (> cantidad de portadores a Tº ambiente que el Si)•Eg AsGa: 1,41 eV

Reducción de Eg

Si ciertas impurezas se añaden a los materiales semiconductores

intrínsecos, ocurrirán estados de energía en las bandas

prohibidas, lo que causará una reducción neta en Eg para ambos

materiales semiconductores y, por consecuencia, también una

mayor densidad de portadores en la banda de conducción a

temperatura ambiente.

Materiales extrínsecos

Las características de los materiales semiconductores pueden

alterarse significativamente si se adicionan átomos de impureza a

un material semiconductor relativamente puro.

Un material semiconductor que haya sido sujeto al proceso de

dopado se denomina un material extrínseco.

Existen dos materiales extrínsecos para fabricar semiconductores:

el tipo n y el tipo p.

Impurezas de antimonio en el material tipo n

Materiales tipo n

•Por la adición de elementos de impureza que poseen cinco electrones de valencia (pentavalentes): antimonio, arsénico y fósforo.

•A las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se les llama átomos donores.

•Se mantienen cuatro enlaces covalentes + un electrón desasociado, unido débilmente a su átomo donor, relativamente libre para moverse dentro del recién formado material tipo n.

•El material tipo n recientemente formado se mantiene neutro.

Diagrama de bandas energía

•Por la adición de elementos de impureza que poseen cinco electrones de valencia (pentavalentes): antimonio, arsénico y fósforo.

•A las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se les llama átomos donores.

•Se mantienen cuatro enlaces covalentes + un electrón desasociado, unido débilmente a su átomo donor, relativamente libre para moverse dentro del recién formado material tipo n.

•El material tipo n recientemente formado se mantiene neutro.