1 Tema: Semiconductores Ing. Adolfo Chaves JiménezElementos Activos EL-2207 Tema: Semiconductores Ing. Adolfo Chaves Jiménez

2 Materiales SemiconductoresClasificación General Ejemplos Especificos Semiconductores simples Si, Ge Compuestos III-V AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb Compuestos II-VI ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS Aleaciones AlxGa1-xAs, GaAs1-xPx, Hg1-xCdxTe, GaxIn1As1-yPy

3 Clasificación de los sólidos basado en grado de orden atómicoColumna IV II III V VI

4 Clasificación basado en el grado de orden atómicoAmorfo Policristalino Cristalino Ejemplo: Pantallas de cristal líquido (Si amorfo) Ejemplo: Puertas de Si policristalino en MOSFET Ejemplo: Formaciones de Si puro Imágenes basadas en:

5 Estructura del silicio Redes de semiconductores5.43 Ǻ (10-8cm) Tomado de:

6 Red cristalina de silicioReferencia:

7 Estructura cristalina de silicio (Orientación 1,0,0)

8 Estructura cristalina de silicio (orientación 1,1,0)

9 Estructura cristalina de silicio (orientación 1,1,1)

10 Modelo de enlace en semiconductoresÁtomo único Silicio Cada línea representa un electrón de valencia compartido Modelo de Enlace Cada círculo representa la estructura interna del átomo semiconductor (Ej Silicio) Enlace covalente Modelo válido a T= 0K

11 Representaciones en el modelo de enlaceRepresentación de la liberación de un electrón Representación de un átomo faltante

12 Modelo de bandas de energíaEnergía del electrón (eV) Esuperior Casi vacío Ec EG Ev Casi lleno Einferior x A T=0K

13 Modelo simplificado de bandas de energíaEc Ev Y Nivel de Energía X Desplazamiento en el cristal Ec: Mínima energía para pasar a la banda de conducción Ev: Máxima energía para permanecer en la banda de valencia *Diferencia de materiales: anchura de banda prohibida

14 Representaciones en modelo de bandasvacío Ec Ev Ec Ev Ec Ev Completamente lleno Hueco resultante Sin portadores Pérdida del electrón

15 Modelo de bandas para distintos tipos de materialesMuy estrecha Pocos electrones Ec Ec Eg~1.42 eV (GaAs) Eg~1.12 eV (Si) Eg~ 0.66 eV (Ge) Ev Ec Ev Eg~8 eV (SiO2) Eg~8 eV (Diamante) amplia Superpuesta Ev Ec Ev Aislantes Semiconductores Metales

16 Propiedades de los portadoresCarga Masa efectiva Concentración de portadores de un material intrínseco

17 Propiedades de los portadores: Cargaq=1.6x10-19 Coulomb q+: Protón q-: Electrón

18 Propiedades de los portadores: Masa EfectivaHasta aca se llegó en clase 1. Se vio dopado en pizarra Electrón en el vacío Electrón en material semiconductor

19 Masa efectiva para la densidad de estados a 300 KMaterial mn*/m0 mp*/m0 Si 1.18 0.81 Ge 0.55 0.36 GaAs 0.066 0.52

20 Dopado: Dopantes comunes de silicioDonadores (elementos columna V) Aceptadores (elementos columna III) P B As Ga Sb In Al

21 Acción donadora y aceptadoraB- Acción aceptadora Acción donadora

22 Energía de enlaces para dopantes comunesDonadores |EB| (eV) Aceptadores Sb 1.18 B 0.045 P 0.55 Al 0.067 As 0.066 Ga 0.072 In 0.16

23 Terminología relacionada con los portadores: DopantesB- Átomos de impureza específicos que se añaden a los semiconductores en dosis controladas, para incrementar las concentraciones de electrones o de huecos

24 Terminología relacionada con los portadores: Semiconductor intrínsecoSemiconductor no dopado consistente en material semiconductor extremadamente puro, que contiene cantidades insignificantes de átomos de impureza

25 Terminología relacionada con los portadores: Semiconductor extrínsecoB- Semiconductor dopado, cuyas propiedades son modificadas debido a los átomos de inpureza añadidos

26 Terminología relacionada con portadores: DonadorÁtomo de impurezas que incrementa la concentración de electrones. Dopante tipo n

27 Terminología relacionada con los portadores: AceptadorB- Átomo de impurezas que incrementa la concentración de huecos. Dopante tipo p

28 Terminología relacionada con los portadores: Material tipo nMaterial dopado con donadores; un semiconductor que contiene más elecrones que huecos

29 Terminología relacionada con semiconductores: material tipo pB- Material dopado con aceptadores; un semiconductor que contiene más huecos que electrones

30 La función de Fermi Probabilidad de ocupación de un electrónEF= energía de Fermi/Nivel de Fermi K= constante de Boltzman (k=8.62 x 10-5 eV/K) T= Temperatura (en Kelvins)

31 La función de Fermi: Caso puntual T=0KPara E Para E>EF EF 1/2 1 f(E) E Todos los electrones se encuentran por debajo del nivel de energía de Fermi * Todos los electrones están por debajo del nivel de Fermi

32 La función de Fermi Caso General T>0KCasos: f(E) 1 1/2 E=Ef, f(Ef)=1/2 EF E EF-3kT EF+3kT

33 La función de Fermi: Variación con la temperaturaEl aumento de temperatura produce mayor probabilidad de ocupar estados superiores de energía Fuente:

34 Expresiones para la concentración de electrones y huecosDonde: ni: Concentración intrínseca de portadores Ei: Nivel intrínseco de Fermi EF: Nivel de Fermi n: concentración de electrones p: concentración de huecos

35 Concentración de protones y electrones y su relación con la concentración intrínsecaDonde: ni: Concentración intrínseca de portadores p: Concentración de huecos n: Concentración de electrones

36 Ecuación de neutralidad de cargaND=número total de átomos donadores o impurezas/cm3 NA=número total de átomos aceptadores o impurezas/cm3