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Elementos ActivosEL-2207
Tema: Semiconductores
Ing. Adolfo Chaves Jiménez
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Materiales Semiconductores
Clasificación General Ejemplos Especificos
Semiconductores simples Si, Ge
Compuestos III-VAlP, AlAs, AlSb, GaN, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb
Compuestos II-VIZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS
AleacionesAlxGa1-xAs, GaAs1-xPx, Hg1-xCdxTe, GaxIn1As1-yPy
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Clasificación de los sólidos basado en grado de orden atómico
Columna IV
III VII VI
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Clasificación basado en el grado de orden atómico
Amorfo Policristalino Cristalino
Imágenes basadas en:
www.msm.cam.ac.uk/doitpoms/tlplib/AD3/defects.php
Ejemplo:
Pantallas de cristal líquido (Si amorfo)
Ejemplo:
Puertas de Si policristalino en MOSFET
Ejemplo:
Formaciones de Si puro
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Estructura del silicio Redes de semiconductores
Tomado de:http://www.sv.vt.edu/classes/ESM4714/Student_Proj/class94/adamzeakes/lattice.html
Silicio
5.43 Ǻ (10-8cm)
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Red cristalina de silicio
Referencia:http://www.webelements.com/webelements/scholar/elements/silicon/structure.html
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Estructura cristalina de silicio (Orientación 1,0,0)
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Estructura cristalina de silicio (orientación 1,1,0)
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Estructura cristalina de silicio (orientación 1,1,1)
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Modelo de enlace en semiconductores
Cada línea representa un electrón de valencia compartido
Átomo único
Silicio
Modelo 3D
Modelo de Enlace
Cada círculo representa la estructura interna del átomo semiconductor (Ej Silicio)
-Enlace covalente
-Modelo válido a T= 0K
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Representaciones en el modelo de enlace
Representación de la liberación de un electrón
Representación de un átomo faltante
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Modelo de bandas de energía
Ec
Ev
Esuperior
Einferior
Casi
lleno
Casi
vacío
E
Energía del electrón (eV)
x
EG
A T=0K
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Modelo simplificado de bandas de energía
Ec
Ev
Ec: Mínima energía para pasar a la banda de conducción
Ev: Máxima energía para permanecer en la banda de valencia
Desplazamiento en el cristalX
Y
Nivel de
Energía
*Diferencia de materiales: anchura de banda prohibida
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Representaciones en modelo de bandas
Ec
Ev
Ec
Ev
Ec
Ev
Completamente lleno
vacío
Sin portadores Pérdida del electrón Hueco resultante
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Modelo de bandas para distintos tipos de materiales
Ec
Ev
Ec
Ev
Ec
Ev
Pocos electrones
ampliaEg~8 eV (SiO2)
Eg~8 eV (Diamante)
Eg~1.42 eV (GaAs)
Eg~1.12 eV (Si)
Eg~ 0.66 eV (Ge)
Ec
Ev
Muy estrecha
Superpuesta
Aislantes Semiconductores Metales
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Propiedades de los portadores
• Carga
• Masa efectiva
• Concentración de portadores de un material intrínseco
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Propiedades de los portadores: Carga
• q=1.6x10-19 Coulomb
• q+: Protón
• q-: Electrón
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Propiedades de los portadores: Masa Efectiva
dt
dvmqEF 0
dt
dvmqEF n*
Electrón en el vacío
Electrón en material semiconductor
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Masa efectiva para la densidad de estados a 300 K
Material mn*/m0 mp
*/m0
Si 1.18 0.81
Ge 0.55 0.36
GaAs 0.066 0.52
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Dopado: Dopantes comunes de silicio
Donadores (elementos columna V)
Aceptadores(elementos columna III)
P B
As Ga
SbIn
Al
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Acción donadora y aceptadora
P+ B-
Acción donadora
Acción aceptadora
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Energía de enlaces para dopantes comunes
Donadores |EB|
(eV)
Aceptadores |EB|
(eV)
Sb 1.18 B 0.045
P 0.55 Al 0.067
As 0.066 Ga 0.072
In 0.16
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Terminología relacionada con los portadores: Dopantes
• Átomos de impureza específicos que se añaden a los semiconductores en dosis controladas, para incrementar las concentraciones de electrones o de huecos
P+ B-
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Terminología relacionada con los portadores: Semiconductor intrínseco
• Semiconductor no dopado consistente en material semiconductor extremadamente puro, que contiene cantidades insignificantes de átomos de impureza
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Terminología relacionada con los portadores: Semiconductor extrínseco
• Semiconductor dopado, cuyas propiedades son modificadas debido a los átomos de inpureza añadidos
P+
B-
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Terminología relacionada con portadores: Donador
• Átomo de impurezas que incrementa la concentración de electrones. Dopante tipo n
P+
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Terminología relacionada con los portadores: Aceptador
B-
• Átomo de impurezas que incrementa la concentración de huecos. Dopante tipo p
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Terminología relacionada con los portadores: Material tipo n
• Material dopado con donadores; un semiconductor que contiene más elecrones que huecos
P+
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Terminología relacionada con semiconductores: material tipo p
• Material dopado con aceptadores; un semiconductor que contiene más huecos que electrones
B-
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La función de FermiProbabilidad de ocupación de un electrón
kTEE feEf /)(1
1)(
EF= energía de Fermi/Nivel de Fermi
K= constante de Boltzman (k=8.62 x 10-5 eV/K)
T= Temperatura (en Kelvins)
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La función de Fermi: Caso puntual T=0K
• Para E<EF
• Para E>EF
11
1)(/)( /)(
kTEEFF fe
EEfkTEE
01
1)(/)( /)(
kTEEFF fe
EEfkTEE
EF
1/2
1f(E
)
E
* Todos los electrones están por debajo del nivel de Fermi
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La función de FermiCaso General T>0K
2/1)( FF EfEE
kTEE
kTEEF
f
f
eEf
ekTEE/)(
/)(
)(
13
kTEE
kTEEF
f
f
eEf
ekTEE/)(
/)(
1)(
13
EF
1/2
1
f(E
)
EEF-3kT EF+3kT
Casos:
kTEE feEf /)(1
1)(
![Page 33: Elementos Activos EL-2207](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081420/5681504c550346895dbe4a0d/html5/thumbnails/33.jpg)
La función de Fermi:Variación con la temperatura
Fuente:http://fermidiracstatistics.quickseek.com/
El aumento de temperatura produce mayor probabilidad de ocupar estados superiores de energía
kTEE feEf /)(1
1)(
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Expresiones para la concentración de electrones y huecos
kTEEi
kTEEi
Fi
iF
enp
enn/)(
/)(
• Donde:– ni: Concentración intrínseca de portadores– Ei: Nivel intrínseco de Fermi– EF: Nivel de Fermi– n: concentración de electrones– p: concentración de huecos
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Concentración de protones y electrones y su relación con la concentración intrínseca
2innp
• Donde:– ni: Concentración intrínseca de portadores– p: Concentración de huecos– n: Concentración de electrones
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Ecuación de neutralidad de carga
• ND=número total de átomos donadores o impurezas/cm3
• NA=número total de átomos aceptadores o impurezas/cm3
0 AD NNnp