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Dr. J.E. Rayas Sánchez1
Semiconductores
Algunas de las figuras de esta presentación fueron tomadas de las páginas de internet de los autores del texto:
A.R. Hambley, Electronics: A Top-Down Approach to Computer-Aided Circuit Design. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 2000.
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Dr. J.E. Rayas Sánchez2
Átomos Semiconductores Aislados
+
Sielectronesde valencia
núcleo
+
Ge
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Dr. J.E. Rayas Sánchez3
Niveles de Energía en un Átomo Aislado
Energía
vacío de energía
etc.
nivel de valencia
2o. nivel (capa siguienteen la estructura atómica)
3er. nivel (etc.)
núcleo
vacío de energía
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Dr. J.E. Rayas Sánchez4
Bandas de Energía
Energía
banda de condución
espacio prohibido
banda de valencia
2a. banda1a. banda
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Dr. J.E. Rayas Sánchez5
Conductores, Semiconductores y Aislantes
Ener
gía
(eV
)
> 5 eVbandaprohibida
aprox. 1 eV
banda de conducción
hueco
banda de valencia
Conductor Aislante Semiconductor
electrónlibre
Hueco de energía a 0 K para el Si = 1.21 eV, para el Ge = 0.785 eV
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Dr. J.E. Rayas Sánchez6
Conducción en Metales
E Campo Eléctrico (V/m)J Densidad de Corriente Eléctrica (A/m2)σ Conductividad (Ω−1/m)
EJ σ=µnqσ =
n Concentración de electrones libres (m−3)µ Movilidad de los electrones (m2/Vs)q Carga del electrón (1.6 ×10−19 C)
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Dr. J.E. Rayas Sánchez7
Silicio Intrínseco a 0 Kelvins
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Dr. J.E. Rayas Sánchez8
Silicio Intrínseco a T > 0 Kelvins
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Dr. J.E. Rayas Sánchez9
Corriente de Huecos en un Semiconductor
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Dr. J.E. Rayas Sánchez10
Corriente de Arrastre en un Semiconductor
EJ σCOND =EJ )( pnCOND σσ +=
EJ )( pnCOND pnq µµ +=
n Concentración de electrones libres (m−3)p Concentración de huecos (m−3)µn Movilidad de los electrones (m2/Vs)µp Movilidad de los huecos (m2/Vs)
Para un semiconductor puro, n = p = ni (concentración intrínseca de portadores libres)
EJ )( pniqn µµ +=
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Dr. J.E. Rayas Sánchez11
Ejemplo
r = 300 µm, l = 5 mm, calcular Vpara una I = 10 µA, si el material es
a) Aluminio (σ = 3.816×107 Ω−1/m)b) Silicio (ni = 1.5 ×1010 /cm3, µn =
1,300 cm2/Vs, µp = 500 cm2/Vs)
l
r V +
I
22 cm/mA54.3)µm300(
µA10 ===πA
IJ
a) ,µV/m93.0/ == σJE
nV63.4)m10µV/m)(593.0( 3- =×== ElV
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Dr. J.E. Rayas Sánchez12
Ejemplo (cont.)
r = 300 µm, l = 5 mm, calcular Vpara una I = 10 µA, si el material es
a) Aluminio (σ = 3.816×107 Ω−1/m)b) Silicio (ni = 1.5 ×1010 /cm3, µn =
1,300 cm2/Vs, µp = 500 cm2/Vs)
l
r V +
I
22 cm/mA54.3)µm300(
µA10 ===πA
IJ
Vs)/cm1800)(/cm10C)(1.510(1.6mA/cm54.3
)( 231019-
2
××=
+=
pniqnJE
µµb)
cm/819.4V=E09.7V4)(5mm819.4V/cm)( === ElV
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Dr. J.E. Rayas Sánchez13
Contaminación (Doping)
! Es el proceso de agregar impurezas a un semiconductor intrínseco
! Semiconductor contaminado = semiconductor extrínseco! Impurezas donadoras
átomos pentavalentes (Sb, P, As)semiconductor tipo n
! Impurezas aceptorasátomos trivalentes (B, Ga, In)
semiconductor tipo p
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Dr. J.E. Rayas Sánchez14
Contaminación con Átomos Donadores
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Dr. J.E. Rayas Sánchez15
Contaminación con Átomos Aceptores
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Dr. J.E. Rayas Sánchez16
Ley de Acción de Masas
2innp =
! Semiconductor intrínsecoinpn ==
DNpn +=! Semic. tipo n (ND: concentración de átomos donadores)
D
iDD N
npNnpN2
,,como ≈≈>>
! Semic. tipo p (NA: concentración de átomos aceptores)
ANnp +=
A
iAA N
nnNpnN2
,,como ≈≈>>
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Dr. J.E. Rayas Sánchez17
Corriente de Difusión
l
contaminación tipo n,no-uniforme
n
xl
0≠dxdn
iónconcentracdegradientedxdn
dxdnqDJ nnDIF
=
Dn Constante de difusión de los electrones (m2/s)JnDIF Densidad de corriente de difusión de los electrones (A/m2)
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Dr. J.E. Rayas Sánchez18
Corriente de Difusión (cont.)
l
contaminación tipo n,no-uniforme
n
xl
0≠dxdp
huecos deión concentracdegradientedxdp
dxdpqDJ ppDIF
−=
Dp Constante de difusión de los huecos (m2/s)JpDIF Densidad de corriente de difusión de los huecos (A/m2)
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Dr. J.E. Rayas Sánchez19
Corriente Total en un Semiconductor Graduado
DIFCOND nnn JJJ +=
DIFCOND ppp JJJ +=
dxdnqDEJ nnn +=σ
dxdpqDEJ ppp −=σ
pn JJJ +=
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Dr. J.E. Rayas Sánchez20
Relación de Einstein
Tp
p
n
n VDD ==µµ
Relaciona dos fenómenos termodinámicos y estadísticos
594,11T
qkTVT ≈=
VT Voltaje equivalente de temperatura (V)k Constante de Boltzman = 1.381×10−23 J/KT Temperatura en Kelvins (K)
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Dr. J.E. Rayas Sánchez21
Potencial Interno
semiconductorgraduado
DIFDIF pn JJ ,∃0≠dxdp0≠
dxdn
0Como == pn JJ
quetal,CONDCOND pn JJ∃
dxdnqDEqn nn −=µ dx
dpqDEqp pp =µ
internoE∃
)(interno ∫−=∃ EdxVV
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Dr. J.E. Rayas Sánchez22
Potencial Interno (cont.)
semiconductorgraduado
dxdnqDEqn nn −=µ
dxdn
nV
dxdn
nDE T
n
n −=−=µ
dxdVE −=Como
∫∫ =2
1
2
1
n
nT
V
V ndnVdV
=−
1
212 ln
nnVVV T análogamente
=−
2
112 ln
ppVVV T
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Dr. J.E. Rayas Sánchez23
Ley de Acción de Masas -extendida-
=−
1
212 ln
nnVVV T
=−
2
112 ln
ppVVV T
TVVV
enn12
12
−
=
−−
= TVVV
epp12
12
1122 pnpn =
Para un semiconductor no graduado, n1 = n2 = n, p1 = p2 = p,
np = ni2
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Dr. J.E. Rayas Sánchez24
Semiconductor Graduado en Escalón
≈−
Di
AT Nn
NVVV/
ln 212
=−
2
112 ln
ppVVV T
=
= 220 ln
/ln
i
DAT
Di
AT n
NNVNn
NVψ
(diferencia de potencial de contacto)
(potencial interno de una unión p-n abrupta)
NA ND
(1) (2)
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Dr. J.E. Rayas Sánchez25
Problema
= 20 ln
i
DAT n
NNVψ
Para un trozo de silicio graduado en escalón, calcular su potencial interno a temperatura ambiente si
a) NA = 1015/cm3 = ND
310 cm105.1)K300( −×==Tni
mV87.25594,11
300594,11
==≈= Tq
kTVT
V57.0105.1
1010ln)mV87.25( 202
1515
0 =
×=ψ
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Dr. J.E. Rayas Sánchez26
Problema (cont.)
Para un trozo de silicio graduado en escalón, calcular su potencial interno si
b) NA = 1017/cm3 y ND = 1015/cm3
V69.0105.1
1010ln)mV87.25( 202
1517
0 =
×=ψ
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Dr. J.E. Rayas Sánchez27
Ecuación de Continuidad
ND
n>>p En equilibrio, n = no , p = po
τp Tiempo medio de vida de los huecos
Al aplicar una perturbación...
po po
t
ppm
∆p
luz seenciende
luz seapaga
Como ∆n = ∆p, solo los portadores minoritarios se ven afectados significativamente
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Dr. J.E. Rayas Sánchez28
Ecuación de Continuidad (cont.)
dp/dt Velocidad de cambio de p
p/τp Disminución en p por segundo debido a la recombinación
g Incremento en p por segundo debido a la radiación
p
pgdtdp
τ−=
Como p = po y dp/dt = 0 cuando no hay radiaciónp
opgτ
=
p
o ppdtdp
τ−= ∫∫ =
−
t
p
p
p o
dtpp
dp
m 0 τp
t
omo epppp τ−
−+= )(
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Dr. J.E. Rayas Sánchez29
Ecuación de Continuidad (cont.)
0)()(
≥−+=
−
teppptp p
t
omoτ
ND
n>>p
po po
t
ppm
∆p
luz seenciende
luz seapaga
Variación en la concentración de los portadores minoritarios debida a la generación y recombinación
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Dr. J.E. Rayas Sánchez30
Experimento de Shockley-Haynes
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Dr. J.E. Rayas Sánchez31
Experimento de Shockley-Haynes (cont.)
Sin aplicar E ...
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Dr. J.E. Rayas Sánchez32
Experimento de Shockley-Haynes (cont.)
Con un E aplicado ...
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Dr. J.E. Rayas Sánchez33
Ecuación de Continuidad – Caso General
p
o ppdtdp
τ−=
En general, la concentración de los portadores minoritarios es función del tiempo y de la distancia
Incremento en p por segundo debido a la agitación térmica menos la disminución en p por segundo debido a la recombinación
dIp Disminución del número de Coulombs por segundo en el volu-men dV debido a la corriente Ip
dIp /q Disminución de huecos por segundo en el volumen dV debido a la corriente Ip
x+dxx
p
Ip+dIpIp
A
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Dr. J.E. Rayas Sánchez34
Ecuación de Continuidad – Caso General
dIp Disminución del número de Coulombs por segundo en el volumen dV debido a la corriente Ip
dIp /q Disminución de huecos por segundo en el volumen dVdebido a la corriente Ip
dxdJ
qdxdI
qApp 11 = Disminución de p por segundo en el
volumen dV debido a la corriente Ip
xJ
qpp
tp p
p
o
∂∂
−−=∂∂ 1
τ
Luego Ecuación de Continuidad
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Dr. J.E. Rayas Sánchez35
Inyección de Portadores Minoritarios
ND
n>>p
x
Radiación
A
po
x
p(x)
p'(0)
Exceso deportadores
minoritarios
xJ
qpp
tp p
p
o
∂∂
−−=∂∂ 1
τComo
En estado estable...
p
op ppx
Jq τ
−=∂∂1
dxdpqDJ ppDIF
−=Y como
pp
o
Dpp
dxpd
τ−=2
2
ppp DL τ≡Longitud de difusión de los huecos
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Dr. J.E. Rayas Sánchez36
Inyección de Portadores Minoritarios
ND
n>>p
x
Radiación
A
po
x
p(x)
p'(0)
Exceso deportadores
minoritarios
22
2
p
o
Lpp
dxpd −=
0/
2/
1)( peKeKxp pp LxLx ++= −
02 =K)0('1 pK =
0/)0(')( pepxp pLx += −
ppp DL τ≡