Materiales Semiconductores, sus características y estructuras. PDF

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Resumen de los materiales semiconductores y los semiconductores dopados, mostrando sus estructuras atómicas, propiedades y una breve explicación de los materiales....

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NOMBRRE DEL ALUMNO

FÉLIX ALBERTO RODRÍGUEZ MARTINEZ

1. ¿Qué es un material semiconductor? Un semiconductor es todo aquel material que puede actuar tanto como un conductor permitiendo el paso de una corriente eléctrica o como un aislante impidiéndola según varios factores como puede ser la temperatura ambiente, el tipo de estructura atómica del mismo o el campo eléctrico o magnético al que esté sometido Así pues, en la naturaleza nos encontramos con varios materiales semiconductores, entre los que destacan el silicio (Si) y el germanio (Ge) por su mayor uso industrial, aunque también existen otros menos extendidos como el azufre (S), el Boro (B) o el cadmio (Cd). 2. Describe los tipos y características físicas y eléctricas de los materiales semiconductores: -

Semiconductores intrínsecos: Están conformados por un único tipo de átomos, dispuestos en moléculas tetraédricas (o sea, de cuatro átomos con valencia de 4) y sus átomos unidos por enlaces covalentes. Esta configuración química impide el movimiento libre de los electrones alrededor de la molécula, excepto ante un aumento de temperatura: entonces los electrones toman parte de la energía disponible y “saltan”, dejando un espacio libre que se traduce como una carga positiva, que a su vez atraerá nuevos electrones. Dicho proceso se llama recombinación, y la cantidad de calor requerida para ello depende del elemento químico del que se trate.

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Semiconductores extrínsecos: Estos materiales permiten un proceso de dopaje, es decir, permiten que se incluyan en su configuración atómica algún tipo de impurezas. Dependiendo de estas impurezas, que pueden ser pentavalentes o trivalentes, los materiales semiconductores se dividen en dos:

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Semiconductores extrínsecos tipo N (donadores): En este tipo de materiales, los electrones superan en número a los huecos o portadores de carga libre (“espacios” de carga positiva). Cuando se aplica una diferencia de potencial al material, los electrones libres se mueven hacia la izquierda del material y los huecos entonces hacia la derecha. Cuando los huecos llegan al extremo derecho, los electrones del circuito externo entran al semiconductor, y se produce la transmisión de corriente eléctrica.

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Semiconductores extrínsecos tipo P (aceptores): En estos materiales, la impureza añadida, en lugar de aumentar los electrones disponibles, aumenta los huecos Así, se habla de material aceptor añadido, ya que hay mayor demanda de electrones que disponibilidad y cada “espacio” libre en donde debería ir un electrón sirve para facilitar el paso de la corriente.

Características de los semiconductores 1

Los semiconductores se caracterizan por su doble funcionalidad, eficiencia energética, diversidad de aplicaciones y bajo costo. Las características más destacadas de los semiconductores se detallan a continuación: 

Su respuesta (conductor o aislante) puede variar dependiendo de la sensibilidad del elemento a la iluminación, campos eléctricos y campos magnéticos del entorno.

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Si el semiconductor está sometido a una baja temperatura, los electrones se mantendrán unidos en la banda de valencia y, por ende, no surgirán electrones libres para la circulación de corriente eléctrica. En cambio, si el semiconductor es expuesto a temperaturas elevadas, la vibración térmica puede afectar la solidez de los enlaces covalentes de los átomos del elemento, con lo cual quedan electrones libres para la conducción eléctrica.

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La conductividad de los semiconductores varía dependiendo de la proporción de impurezas o elementos dopantes dentro de un semiconductor intrínseco. Por ejemplo, si se incluyen 10 átomos de boro en un millón de átomos de silicio, esa proporción aumenta la conductividad del compuesto mil veces, en comparación con la conductividad del silicio en estado puro.

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La conductividad de los semiconductores varía en un intervalo entre 1 y 10 -6 S.cm-1, dependiendo del tipo de elemento químico empleado.

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Los semiconductores compuestos o extrínsecos pueden presentar propiedades ópticas y eléctricas considerablemente superiores a las propiedades de los semiconductores intrínsecos. Un ejemplo de este aspecto es el arseniuro de galio (GaAs), empleado predominantemente en radiofrecuencia y otros usos de aplicaciones optoelectrónicas.

3. Describe la estructura atómica de semiconductores elementales: -

Silicio: Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (después del oxígeno) con un porcentaje en peso del 25,7%. Está presente en multitud de materiales, tan diversos como la arena, la arcilla, el vidrio o el hueso. El silicio puro no se encuentra en la naturaleza, pero bajo las condiciones adecuadas pueden obtenerse en forma de estructuras monocristalinas. En éstas los átomos se disponen según una red tipo diamante con simetría cúbica, en donde cada átomo forma enlaces covalentes con otros cuatro adyacentes. Así todos los átomos tienen la última órbita completa con ocho electrones.

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Al aplicarle energía externa, ya sea de calor o de luz, se rompen los enlaces quedando un electrón libre por cada enlace roto, pero a su vez, se tiene un hueco vacío, el que ocupaba el electrón. De esta forma se obtiene corriente eléctrica, por el movimiento de los electrones hacía los potenciales positivos y del movimiento de los huecos hacía los potenciales negativos. Propiedades atómicas Masa atómica 28,0855 u Radio medio† 110 pm Radio atómico calculado 111 pm Radio covalente 111 pm Radio de Vander Wells 210 pm Configuración electrónica [Ne]3s2 3p2 Estado de oxidación (óxido) 4 (anfótero) Estructura cristalina cúbica centrada en las caras Propiedades físicas. Estado de la materia sólido (no magnético) Punto de fusión 1687 K (1414 °C) Punto de ebullición 3173 K (2900 °C) Entalpía de vaporización 384,22 kJ/mol Entalpía de fusión 50,55 kJ/mol Presión de vapor 4,77 Pa a 1683 K Velocidad del sonido __ m/s a __ K -

Germanio: El germanio es un metaloide lustroso, duro, de color blanco grisáceo en el grupo de carbono, químicamente similar a su grupo vecino al estaño y al silicio. Presenta la misma estructura cristalina que el diamante y resiste a los ácidos y álcalis. El germanio puro es un semiconductor con una apariencia similar al silicio elemental. El germanio se usa ampliamente para la espectroscopía de rayos gamma.

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Forma gran número de compuestos órgano metálicos y es un importante material semiconductor utilizado en transistores y foto detectores.

Propiedades del Germanio Número atómico 32. Valencia 4. Estado de oxidación +4. Electronegatividad 1,8. Radio covalente (Å) 1,22. Radio iónico (Å) 0,53. Radio atómico (Å) 1,37. Configuración electrónica [Ar]3d104s24p2. Primer potencial de ionización (eV) 8,16. Masa atómica (g/mol) 72,59. Densidad (g/ml) 5,32. Punto de ebullición (ºC) 2830. Punto de fusión (ºC) 937,4.

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Y dopantes: El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores. Para los semiconductores del Grupo IV como Silicio, Germanio y Carburo de silicio, los dopantes más comunes son elementos del Grupo III o del Grupo V. Boro, Arsénico, Fósforo, y ocasionalmente Galio.

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Boro: Debido a que es trivalente, comparte con el Carbono (tetravalente) la capacidad de formar redes moleculares mediante enlaces covalentes. No se encuentra libre en la naturaleza. En la naturaleza se encuentran dos isótopos de boro, 11B (80,1%) y 10B (19,9%) Propiedades del boro: Símbolo atómico: B Numero atómico: 5 Categoría de elemento: metaloide Densidad: 2,08 g / cm3 Punto de fusión: 3769 F (2076 C) Punto de ebullición: 7101 F (3927 C) Dureza de Mohs: 9.5

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Galio: Es un metal blando, grisáceo en estado líquido y plateado brillante al solidificar, sólido deleznable a bajas temperaturas que funde a temperaturas cercanas a la del ambiente (como cesio, mercurio y rubidio) e incluso cuando se lo agarra con la mano por su bajo punto de fusión (28,56 °C). El rango de temperatura en el que permanece líquido es uno de los más altos de los metales y la presión de vapor es baja incluso a altas temperaturas. El metal se expande un 3,1% al solidificar y flota en el líquido al igual que el hielo en el agua.

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Propiedades del galio: Número atómico: 31 Valencia: 3 Estado de oxidación: +3 Electronegatividad: 1,6 Radio covalente (Å): 1,26 Radio iónico (Å): 0,62 Radio atómico (Å): 1,41 Configuración electrónica: [Ar]3d104s24p1 Primer potencial de ionización (eV): 6,02 Masa atómica (g/mol): 69,72 Densidad (g/ml): 5,91 Punto de ebullición (ºC): 2237 Punto de fusión (ºC): 29,8 -

Fósforo: Propiedades del fosforo. Número atómico: 15 Valencia: +3,-3,5,4 Estado de oxidación: +5 Electronegatividad:2,1 Radio covalente (Å): 1,06 Radio iónico (Å): 0,34 Radio atómico (Å): 1,28 Configuración electrónica: [Ne]3s23p3 Primer potencial de ionización (eV): 11,00 Masa atómica (g/mol): 30,9738 Densidad (g/ml): 1,82 Punto de ebullición (ºC): 280 Punto de fusión (ºC): 44,2

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Carbono: El comportamiento del carbono en millones de compuestos corresponde a cuatro electrones desapareados, sin que ninguno de ellos tenga preferencia o mayor capacidad de reacción que los otros tres. Propiedades del carbono: Número atómico: 6 Valencia: 2,+4,-4 Estado de oxidación: +4 Electronegatividad: 2,5 Radio covalente (Å): 0,77 Radio iónico (Å): 0,15 Radio atómico (Å): 0,914 Configuración electrónica: 1s22s22p2 6

Primer potencial de ionización (eV): 11,34 Masa atómica (g/mol): 12,01115 Densidad (g/ml): 2,26 Punto de ebullición (ºC): 4830 Punto de fusión (ºC): 3727

4. Describir las características básicas de semiconductores intrínsecos: -

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Son semiconductores puros. A temperatura ambiente se comporta como un aislante porque solo tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la energía térmica. En un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente total resultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares, por lo tanto, hay tantos electrones libres como huecos con lo que la corriente total es cero. Intrínseco indica un material semiconductor extremadamente puro contiene una cantidad insignificante de átomos de impurezas.

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