UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP

Curso : Física Electrónica

Tema: Semiconductores

Alumno: Michael Anderson Latorre J

Historia de los semiconductores• La historia de los semiconductores comienza en su utilización con fines

técnicos, se utilizaron como pequeños detectores diodos y se emplearon a principios del siglo XX, en los radio receptores de esa época.

• En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, realizó un descubrimiento que se basaba en que si a ciertos cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares.

• En 1947 William Shockley, investigador también de los Laboratorios Bell y Walter Houser Brattain, junto a John Bardeen, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica moderna.

• Algunos semiconductores, como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esta propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en Electrónica Digital, entre otras.

• Elevación de su temperatura Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina Incrementando la iluminación.

Tipos de semiconductores

• Se pueden clasificar en dos tipos:

• • Semiconductores intrínsecos: son los que poseen una conductividad eléctrica fácilmente controlable y, al combinarlos de forma correcta, pueden actuar como interruptores, amplificadores o dispositivos de almacenamiento.

• • Semiconductores extrínsecos: se forman al agregar a un semiconductor intrínseco sustancias dopantes o impurezas, su conductividad dependerá de la concentración de esos átomos dopantes.

Dependiendo de esas impurezas habrán dos tipos:

• • Semiconductores de tipo n: En las redes de Si o Ge se introducen elementos del grupo 15 los cuales debido a que tienen un electrón más en su capa de valencia que los elementos del grupo14 se comportan como impurezas donadoras de electrones o portadores negativos.

• • Semiconductores de tipo p: En este caso se introducen elementos del grupo 13 que presentan un electrón menos en su capa de valencia, por lo que se comportan como aceptores o captadores de electrones.

Introducción

Objetivo

Calcular la densidad de portadores en semiconductores puros y poco dopados

Motivo

Poder determinaran los comportamientos característicos tensión/corriente de los dispositivos

Esquema

Densidad de estados

× ⇒ Densidad de portadores

Densidad de ocupación

Concepto: Equilibrio térmico

Es el estado en que un proceso es acompañado por otro, igual y opuesto (estado dinámico),

mientras que el sistema se mantiene a la misma temperatura, sin intercambios de energía

con el exterior.

Densidad de estados

Densidad de portadores

Densidad de portadores

Densidad de portadores (cont.)

Semiconductores intrínsecos

• Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción.

• Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.

• Como se puede observar en la ilustración, en el caso de los semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida es mucho más estrecho en comparación con los materiales aislantes. La energía de salto de banda (Eg) requerida por los electrones para saltar de la banda de valencia a la de conducción es de 1 eV aproximadamente. En los semiconductores de silicio (Si), la energía de salto de banda requerida por los electrones es de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.

Semiconductores intrínsecos

• Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la ilustración, los átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.

Semiconductores extrínsecosLos semiconductores extrínsecos se forman añadiendo pequeñas cantidades de impurezas

a los semiconductores puros. El objetivo es modificar su comportamiento eléctrico al alterar la

densidad de portadores de carga libres.

Estas impurezas se llaman dopantes. Así, podemos hablar de semiconductores dopados.

En función del tipo de dopante, obtendremos semiconductores dopados tipo p o tipo n.

Para el silicio, son dopantes de tipo n los elementos de la columna V, y tipo p los de la III

II III IV V VI

Semiconductores tipo n y tipo p

Semiconductor tipo n

Son los semiconductores que están dopados, esto es que tienen impurezas. Hay 2 tipos dependiendo de que tipo de impurezas tengan:

Semiconductor tipo n

Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".

Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco.

Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batería

Semiconductores tipo n y tipo p

Semiconductor tipo p

Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.

Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo.

En el circuito hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito

Densidad de portadores en semiconductores extrínsecos

Nivel de Fermi en semiconductores extrínsecos

MECANISMO DE CONDUCCIÓN DE UN SEMICONDUCTOR

Cuando a un elemento semiconductor le aplicamos una diferencia de potencial o corriente eléctrica, se producen dos flujos contrapuestos: uno producido por el movimiento de electrones libres que saltan a la “banda de conducción” y otro por el movimiento de los huecos que quedan en la “banda de valencia” cuando los electrones saltan a la banda de conducción.

Cuando aplicamos una diferencia de potencial a un. elemento semiconductor, se establece una. “corriente de electrones” en un sentido y otra. “corriente de huecos” en sentido opuesto.

Si analizamos el movimiento que se produce dentro de la estructura cristalina del elemento semiconductor, notaremos que mientras los electrones se mueven en una dirección, los huecos o agujeros se mueven en sentido inverso. Por tanto, el mecanismo de conducción de un elemento semiconductor consiste en mover cargas negativas (electrones) en un sentido y cargas positivas (huecos o agujeros) en sentido opuesto.

Ese mecanismo de movimiento se denomina "conducción propia del semiconductor", que para las cargas negativas (o de electrones) será "conducción N", mientras que para las cargas positivas (de huecos o agujeros), será "conducción P".

Paginas Web de Consulta

• http://www.uv.es/candid/docencia/ed_tema-02.pdf

• http://www.ecured.cu/index.php/Semiconductores

• http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_5.htm