Tema 3.1.- Materiales Semiconductores PDF

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ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

UNIDAD III. Materiales semiconductores

TEMARIO 1. ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS MATERIALES SEMICONDUCTORES 1.1 Describir los tipos y características físicas y eléctricas de los materiales semiconductores. 1.2 Describir la estructura atómica de semiconductores elementales: Silicio y Germanio; y dopantes: Boro, Galio, Fósforo y Carbono. 1.3 Describir las características básicas de semiconductores intrínsecos. 1.4 Describir la relación entre estructura electrónica y conductividad eléctrica de semiconductores intrínsecos. 1.5 Describir las características básicas de semiconductores extrínsecos y el concepto de dopaje. 1.6 Describir la relación entre estructura electrónica y conductividad eléctrica de semiconductores extrínsecos. 1.7 Describir el comportamiento de los Semiconductores Tipo N y P. 1.8 Explicar el comportamiento de la unión semiconductora PN. 2. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES SEMICONDUCTORES 2.1 Describir las propiedades básicas de los semiconductores y sus uniones PN. 2.2 Describir las estructuras básicas de uniones PN a) unión NPN y PNP: transistor BJT b) Unión Al, SiO2, P: JFET, MOSFET c) Unión PNPN: Tiristores

3. ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS MATERIALES SUPERCONDUCTORES

Elaborado por: MII. Francisco León Acosta.

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 3.1 Describir el concepto de superconductividad. 3.2 Describir los tipos y características físicas y eléctricas de los materiales superconductores. 3.3 Describir la estructura cristalina de los materiales superconductores.

Elaborado por: MII. Francisco León Acosta.

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

1. ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS MATERIALES SEMICONDUCTORES 1.1 Describir los tipos y características físicas y eléctricas de los materiales semiconductores. La mayor parte de los dispositivos electrónicos modernos están fabricados a partir de semiconductores. Para comprender el funcionamiento de estos dispositivos cuando se insertan en un circuito eléctrico, es necesario conocer el comportamiento de los componentes desde un punto de vista físico. Los materiales semiconductores de uso común en la tecnología microelectrónica son el silicio, el germanio y el arseniuro de galio. Se trata de elementos del grupo IV de la tabla periódica, o bien combinaciones de elementos de los grupos III y V. De todos ellos, el más empleado actualmente es el silicio, por lo que la discusión en este tema va a estar centrada en dicho elemento. No obstante la gran mayoría de lo aquí expuesto puede aplicarse a cualquier semiconductor. Una propiedad importante en los semiconductores es que posibilita el poder modificar su resistividad de manera controlada entre márgenes muy amplios. La razón primera de este comportamiento diferente reside en su estructura atómica, básicamente en la distancia interatómica de sus átomos en la red así como el tipo de enlace entre ellos. Así, el enlace atómico depende del número de electrones de valencia de los átomos formantes del enlace y de la electronegatividad de los mismos. Los electrones de la capa externa o electrones de valencia son los que determinan y forman los enlaces y los que en su momento pueden determinar el carácter conductivo o no de él. 1.2 Describir la estructura atómica de semiconductores elementales: Silicio y Germanio; y dopantes: Boro, Galio, Fósforo y Carbono. Un semiconductor es un material o compuesto que tiene propiedades aislantes o conductoras. Unos de los elementos más usados como semiconductores son el silicio, el germanio y selenio, además hay otros que no son elementos como los mencionados

Elaborado por: MII. Francisco León Acosta.

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES anteriormente si no que son compuestos como lo son el Arseniuro de Galio, el Telurio de Plomo y el Seleniuro de Zinc 

Silicio

El átomo de silicio presenta un enlace covalente, esto quiere decir que cada átomo está unido a otros cuatro átomos y compartiendo sus electrones de valencia. Es así, porque de otra manera el silicio no tendría equilibrio en la capa de valencia, necesita 8 electrones para su estabilidad. El enlace covalente lo forman todos los elementos del grupo IV de la tabla periódica, al cual pertenece el silicio.

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Germanio

Forma gran número de compuestos organometálicos y es un importante material semiconductor utilizado en transistores y foto detectores. A diferencia de la mayoría de semiconductores, el germanio tiene una pequeña banda prohibida (band gap) por lo que responde de forma eficaz a la radiación infrarroja y puede usarse en amplificadores de baja intensidad.



Los semiconductores dopados: 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%).

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Galio

El 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 de la 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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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.

1.3 Describir las características básicas de semiconductores intrínsecos. Los semiconductores intrínsecos: Es un semiconductor puro. 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. 1.4 Describir la relación entre estructura electrónica y conductividad eléctrica de semiconductores intrínsecos. La conductividad eléctrica de los materiales semiconductores no es tal alta como la de los metales; sin embargo, tienen algunas características eléctricas únicas que los hacen especialmente útiles, las propiedades eléctricas de estos materiales son extremadamente Elaborado por: MII. Francisco León Acosta.

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES sensibles a la presencia de incluso muy pequeñas concentraciones de impurezas. Los semiconductores intrinsenticos se basan en la estructura electrónica inherente al material puro. Puesto que un semiconductor intrínseco existen dos tipos de transportadores de carga (electrones libres y huecos), la expresión para la conductividad eléctrica debe ser modificada para incluir un término que tenga en cuenta la contribución de los huecos a la corriente. En los semiconductores intrínsecos cada electrón promovido a través del intervalo prohibido deja detrás un hueco en la banda de valencia. Las conductividades intrínsecas a temperatura ambiente y las movilidades de los electrones y los huecos para varios materiales semiconductores.

1.5 Describir las características básicas de semiconductores extrínsecos y el concepto de dopaje. Semiconductores extrínsecos: Son los semiconductores que están dopados, esto es que tienen impurezas. Hay 2 tipos dependiendo de qué 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.

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ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Semiconductor tipo p: Es el que está impurificado con impurezas "Aceptores", 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. 1.6 Describir la relación entre estructura electrónica y conductividad eléctrica de semiconductores extrínsecos. 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. 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. 1.7

Describir el comportamiento de los Semiconductores Tipo N y P.

Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio. Las

características

de

los

materiales

semiconductores

pueden

ser

alternadas

significativamente por la adición de ciertos átomos de impureza a un material semiconductor relativamente puro. Aunque solo haya sido añadido 1 parte en 10 millones pueden alternar de forma suficiente la estructura de la bomba. Elaborado por: MII. Francisco León Acosta.

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Existen dos materiales extrínsecos de gran importancia para la fabricación de dispositivos semiconductores el tipo N y el tipo P.



Tipo N:

Tanto el material tipo N como el tipo P se forma mediante

la

adición

mediante

un

numero

predeterminado de átomos e impurezas al germanio o al silicio. El tipo n se crea atravez de la introducción de elementos de impurezas que poseen cinco electrones de valencia (pentavalentes). A las impurezas difundidas con cinco electrones de valencias les llama átomos donadores. Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativas o electrones). Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones. El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores.

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Tipo P:

Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos). Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos. El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo IVA de la tabla periódica) de los átomos vecinos se le une completando así sus cuatro enlaces. Así los dopantes crean los "huecos". Cada hueco está asociado con un Ion cercano cargado negativamente, por lo que el semiconductor se mantiene eléctricamente neutro en general. No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado por un electrón. Por esta razón un hueco se comporta como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.

1.8 Explicar el comportamiento de la unión semiconductora PN. Llegados a este punto, cualquiera con un poco de curiosidad se habrá hecho la siguiente pregunta: ¿Qué ocurriría si se juntase un trozo de material tipo P con un trozo de material

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ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES tipo N? Pues bien, esta pregunta ya se la hizo alguien hace unos cuantos años y dio origen a lo que hoy día se conoce como unión P-N. De nuevo, como electrónicos que somos, solamente nos interesa algo muy concreto de esta unión, lo cual no es otra cosa que su comportamiento de cara al paso de corriente eléctrica. Supongamos, primeramente, que hemos unido por las buenas un trozo de material tipo P con uno tipo N; ¿Qué ocurre?, pues que los electrones que le sobran al material tipo N se acomodan en los huecos que le sobran al material tipo P. Pero, ¡ojo!, no todos los de un bando se pasan al otro, solamente lo hacen los que están medianamente cerca de la frontera que los separa. A esto se le llama recombinación Y ¿Por qué solo unos pocos? Pues porque el hecho de que se vayan los electrones con los huecos es debido a la atracción mutua que existe entre ellos ya que poseen cargas opuestas; sin embargo, una vez que se han pasado cierta cantidad de electrones al otro bando comienza a haber una concentración de electrones mayor de lo normal, lo que provoca que estos empiecen a repelerse entre ellos. Por tanto, se llega a un equilibrio al haberse ido los suficientes electrones para apaciguar la atracción hueco-electrón inicial pero no tantos como para llegar a repelerse entre ellos. Una vez alcanzado este equilibrio se dice que se ha creado una barrera de potencial. Una barrera de potencial es simplemente una oposición a que sigan pasando los electrones y huecos de un lado a otro. Esta situación permanecerá inalterable mientras no hagamos nada externo para modificarla, es decir, compensar el efecto de esa barrera de potencial con otro potencial aportado por nosotros, por ejemplo, conectándolo a una batería.

2. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES SEMICONDUCTORES 2.1 Describir las propiedades básicas de los semiconductores y sus uniones PN. La estructura cristalina de los semiconductores es en general compleja aunque puede visualizarse mediante superposición de estructuras más sencillas. La estructura más común es la del diamante, común a los semiconductores Si y Ge, y la del Zinc-Blenda que es la del Arseniuro de Galio. En estas redes cristalinas cada átomo se encuentra unido a otros cuatro mediante enlaces covalentes con simetría tetraédrica. Se requiere que posean unas

Elaborado por: MII. Francisco León Acosta.

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES estructuras cristalinas únicas, es decir, que sea monocristal. Dependiendo de cómo se obtengan éste puede presentarse en forma de monocristal, policristal y amorfo. El comportamiento eléctrico de los materiales semiconductores (resistividad y movilidad) así como su funcionamiento depende de la estructura cristalina del material de base, siendo imprescindible la forma monocristalina cuando se requiere la fabricación de circuitos integrados y dispositivos electroópticos (láser, led). En lo referente al transporte de carga en semiconductores el fenómeno de las colisiones de los portadores con otros portadores, núcleos, iones y vibraciones de la red, disminuye la movilidad. Ello guarda relación con el parámetro de la resistividad (o conductividad) definido como la facilidad para la conducción eléctrica, depende intrínsecamente del material en cuestión y no de su geometría. Así pues en los fenómenos de transporte en semiconductores y a diferencia de los metales, la conducción se debe a dos tipos de portadores, huecos y electrones.

2.2

Describir las estructuras básicas de uniones PN:

a) Unión NPN y PNP: transistor BJT: Supongamos una unión PN polarizada en inverso. Se puede considerar que es una fuente de corriente casi ideal porque la corriente que la atraviesa es independiente de la tensión entre sus extremos, sin embargo, presenta un inconveniente: la corriente es muy pequeña (IS) y está limitada por la generación térmica de minoritarios en las cercanías de la unión. Esta corriente

podría,

no

obstante,

incrementarse

generando

minoritarios, por ejemplo, mediante luz, además, con la intensidad de la luz podemos controlar la intensidad de la fuente de corriente. Sería bueno poder hacer esto eléctricamente. Para ello, podríamos añadir una unión más al sistema, puesto que en una unión P+N se inyectan huecos desde la zona P+ en la zona N y el número de huecos inyectados depende de la tensión aplicada en esta unión.

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ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Por tanto, se tiene entonces una fuente de corriente ...