TEMA 4.1 Semiconductores - Física de Semiconductores PDF

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Profesores: Jose San Martín López, Lucía Serrano Luján...

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Tema 4 (I) – Física de Semiconductores. Semiconductores

José San Martín

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Tema 4 – Física de Semiconductores Índice 4.1 Introducción a los semiconductores. • • • •

Semiconductores intrínsecos y extrínsecos. La unión p-n. Teoría de bandas de energía de sólidos. Polarización en semiconductores.

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Tema 4 – Física de Semiconductores 4.1 Introducción a los semiconductores. Corriente: Movimiento de cargas a través de un conductor en el que se encuentra un campo eléctrico. Conductor: Cuerpo en el cual se pueden mover cargas libres por efecto del campo eléctrico al que se hayan sometidos. Cargas libres: electrones en un conductor metálico. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores Tipos de conductores

Conductor : Existen muchos electrones libres en las capas superiores del átomo. Gran facilidad de movimiento de esos electrones produce gran facilidad de transmitir la corriente eléctrica. Aislante: Pocos electrones libres impiden la transmisión de corriente eléctrico salvo con aportes enormes de energía. Semiconductor: No conducen la corriente eléctrica si no tienen un aporte adecuado de energía, que los convierte en conductores. Así pueden comportarse como conductores o aislantes a conveniencia. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores Semiconductores.

Los conductores van a tener varios electrones libres en la capa de valencia del átomo. Los aislantes puros van a tener los ocho electrones en la capa de valencia. El semiconductor está entre ambas propiedades eléctricas, y veremos que según su polarización podrá actuar tanto como aislante como conductor. Un semiconductor como el Si tiene cuatro electrones en la capa de valencia. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores •

Los semiconductores constituyen los materiales clave en la fabricación de dispositivos electrónicos.

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Sus propiedades, potenciadas, son el elemento clave en el desarrollo de la informática, la instrumentación científica de alto nivel y las telecomunicaciones, además el diseño de aparatos de electrónica de consumo.

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Tema 4 – Física de Semiconductores Semiconductores.

Dos átomos de Si se recombinan para forman un único cristal compartiendo cada uno los 4 electrones de su capa de valencia, mediante un enlace covalente. En ese cristal tendremos los 8 electrones de la capa de valencia, así que en principio actúa como aislante. A una temperatura ambiente, la interacción con el medio permite que se liberen electrones de la capa de valencia.

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Tema 4 – Física de Semiconductores Semiconductores. Electrones y huecos

Así tenemos un electrón libre y un hueco que actúa como si fuera una carga positiva. En consecuencia se crean un número similar de electrones y huecos en el semiconductor. Cuando una pareja de ellos se une se produce una unión llamada Recombinación.

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Tema 4 – Física de Semiconductores 4.1.1 Semiconductores intrínsecos y extrínsecos. Veremos que para potenciar algunas de las características de lo semiconductores se van a añadir aditivos o impurezas. Por esa razón los semiconductores pueden ser intrínsecos, semiconductor puro, que funciona en estado natural como aislante, o extrínsecos, tratado para que presente un exceso de huecos o exceso de electrones libres. En definitiva vamos a potenciar los dos flujos que podemos encontrar en el semiconductor, o bien flujo de electrones libres o bien flujo de huecos. La corriente que finalmente atraviese al semiconductor será la combinación de ambos flujos.

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Tema 4 – Física de Semiconductores •

Dopaje de semiconductores. Dopaje: Para aumentar la conductividad de un semiconductor se realiza la adicción de impurezas de manera que se produzca un exceso de un tipo de portadores, bien de huecos, bien de electrones libres. Para aumentar el número de electrones añadimos átomos con cinco electrones en su capa de valencia. Sería por tanto un donante de electrones. Sin embargo, para aumentar el número de huecos añadimos átomos con tres electrones en su capa de valencia. Sería por tanto un aceptor de electrones.

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Tema 4 – Física de Semiconductores •

Dopaje de semiconductores. Por tanto un semiconductor puede ser dopado o bien para tener un exceso de electrones o bien para tener un exceso de huecos: Los semiconductores de tipo n tienen portadores de electrones mayoritarios, siendo los huecos minoritarios. Los semiconductores de tipo p tienen portadores de electrones minoritarios, siendo los huecos mayoritarios. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores Tipo N

Tipo P

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Tema 4 – Física de Semiconductores 4.1.2 La unión p-n. Una unión p-n es un semiconductor donde se han unido dos semiconductores uno de tipo n y otro del tipo p. En la frontera entre ambos se creará la zona de deplexión.

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Tema 4 – Física de Semiconductores Zona de deplexión. En una zona n hay exceso de electrones, que a su vez sufren una repulsión del resto de electrones. Algunos van a pasar a la zona p donde sería en este caso portador minoritario. Se van a producir uniones entre huecos y electrones en la zona de deplexión, creando iones con cada unión que forman un dipolo. Como consecuencia, esa zona se va despoblando de portadores tanto de electrones libre en la zona n, como de huecos en la zona p. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores Barrera de potencial. •

En un dipolo eléctrico se crea un campo eléctrico entre los iones positivo y negativo que lo forman.

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Este campo se opondrá al movimiento de electrones libres atravesando la unión pn.

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La intensidad de campo eléctrico aumenta con cada electrón que cruza hasta que se alcanza el equilibrio.

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Finalmente, el campo eléctrico entre los iones produce una diferencia de potencial que se denomina barrera de potencial.

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Valores típicos: a 25ºC 0.3 V para Germanio; 0,7 V para el Silicio.

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Tema 4 – Física de Semiconductores 4.1.3 Teoría de bandas de energía de sólidos. En un determinado material se definen dos determinadas zonas dentro de su estructura atómica: •

La banda de valencia: ocupada por los electrones de valencia de los átomos, que se encuentran en la última capa del átomo, realizando los enlaces entre átomo pero no estando libres, por lo que no intervienen en la conducción eléctrica.

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La banda de conducción: ocupada por los electrones libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus átomos y se mueven fácilmente, siendo responsables de conducir la corriente eléctrica.

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Tema 4 – Física de Semiconductores •

Existen algunos materiales como el silicio que tienen una estructura de bandas semejante a la de los aislantes.

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En ellos la banda prohibida que separa la banda completamente llena (valencia) de la de conducción (vacía), es muy estrecha, de manera que con un aporte reducido de energía se puede excitar algunos electrones de la banda de valencia y transferirlos a la de conducción.

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En tal caso se puede hablar tanto de una conducción por los electrones de la banda superior, como de conducción por los huecos que se generan en la banda inferior y que se comportan como cargas positivas. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores 4.1.4 Polarización en semiconductores. Teniendo una unión P-N sometida a una diferencia de potencial creada por una pila tendremos: •

Polarización directa, si la pila conecta el terminal de mayor voltaje al semiconductor tipo p, y el de menor potencial al tipo n.

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Polarización inversa, si la pila conecta el terminal de mayor voltaje al semiconductor tipo n, y el de menor potencial al tipo p. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores –

La diferencia de potencial va a mover los huecos y electrones a la zona de deplexión.

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Si la tensión aplicada supera la barrera de potencial, los electrones tendrán suficiente energía para atravesar la barrera y recombinarse con los huecos, circulando corriente a través del material, comportándose como un conductor.

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Si no se supera la barrera de potencial no circula corriente y el material se comporta como un aislante. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores – La aplicación de un voltaje positivo empuja a los electrones del material tipo N y a los huecos del material tipo P para recombinarse con los iones de la frontera y por tanto ir reduciendo progresivamente la anchura de la región de unión. – Cuando se alcanza una determinada tensión (0,7 V por ejemplo en el caso de diodos de Silicio), la barrera desaparece y se produce la conducción. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores –

El número de iones positivos en la región de agotamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de electrones libres arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado.

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Por su parte, el número de iones negativos en el material tipo P también aumentará debido a los electrones inyectados por la terminal negativa, las cuales ocuparán los huecos.

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Ésto provocará que la región de unión de los materiales p-n se ensanche hasta establecer una barrera tan grande que los portadores mayoritarios no podrán superar, esto significa que la corriente no circulará a través del semiconductor. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores –

A medida que se sigue aplicando tensión de polarización negativa se sigue aumentando el tamaño de la zona de deplexión.

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En polarización inversa va a aparecer una pequeña corriente de los portadores minoritarios que existían en ambos materiales p-n.

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Esos portadores van a atravesar la zona de deplexión hacia la zona p del semiconductor creando una pequeña corriente llamada de saturación IS. Física

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