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Semiconductores, aisladores y metales Las propiedades eléctricas de metales y aisladores son bien conocidas por todos nosotros. La experiencia cotidiana.

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Presentación del tema: "Semiconductores, aisladores y metales Las propiedades eléctricas de metales y aisladores son bien conocidas por todos nosotros. La experiencia cotidiana."— Transcripción de la presentación:

1 Semiconductores, aisladores y metales Las propiedades eléctricas de metales y aisladores son bien conocidas por todos nosotros. La experiencia cotidiana nos ha enseñado mucho acerca de las propiedades eléctricas de estos materiales. No podemos decir lo mismo de los materiales semiconductores. ¿Qué sucede cuando conectamos una batería a un trozo de Silicio? ¿Conducirá electricidad como un metal ó actuará igual que un aislador?

2 El nombre semiconductor implica que su conductividad estará entre la de los metales y los aisladores. Conductividad : σ metal ~10 10 /-cm σ aislador ~ / -cm SC

3 Bandas electrónicas en los sólidos Los electrones en los átomos tienen energías cuantificadas, definidas por los números cuánticos. Dos electrones, sometidos al mismo potencial no pueden tener los mismos números cuánticos. (principio de exclusión de Pauli) 1 2 4………………N Número de átomos Banda permitida Banda prohibida Banda permitida Banda prohibida

4 La diferencia de energía entre los niveles menores es tan pequeña que es muy razonable considerar cada uno de estos conjuntos como bandas continuas de energía, más que considerar un enorme número de niveles discretos. Cada banda permitida está separada de otra por una banda prohibida. Los electrones pueden estar sólo en estados correspondientes a las bandas permitidas.

5 Las bandas vacías y llenas no participan de la conducción eléctrica. Banda llena Todos los niveles de energía están ocupados Banda vacía Todos los niveles de energía están desocupados.

6 A bajas temperaturas la banda de valencia está llena y la de conducción está vacía. Recordar que una banda llena no puede conducir, de la misma manera que no lo puede hacer una banda vacía. A bajas temperaturas los semiconductores no conducen, se comportan como aisladores. energía térmica Eg. A bajas temperaturas la energía térmica que podrían adquirir los electrones más energéticos de la banda de valencia es mucho menor que Eg. Banda prohibida Energy gap [Eg] Banda de conducción vacía Banda de valencia llena Energía de los electrones Bandas de energía de un semiconductor (bajas temperaturas)

7 Conducción electrónica: Supongamos que algún tipo de energía es provista a un electrón en la banda de valencia, tal que puede ser promovido a la banda de conducción. Si se aplica un campo eléctrico este electrón puede responder al mismo. Este electrón contribuye a la conducción eléctrica y es llamado electrón de conducción. A 0 0 K, los electrones están en los niveles de menor energía. La banda de valencia es la banda de mayor energía llena a esta temperatura. Banda de valencia llena Banda prohibida Energy gap [Eg] Banda de conducción vacía

8 energía e - situado en el top de la banda de valencia e - Cuando suficiente energía es dada a un e - situado en el top de la banda de valencia,este e - puede hacer una transición al piso de la banda de conducción. estado electrónico vacante Cuando un electrón hace tal transición este deja atrás un estado electrónico vacante hueco. Este estado vacante es llamado hueco. portador de carga positiva. El hueco se comporta como un portador de carga positiva. Tiene la misma magnitud de carga que un electrón pero de distinto signo. Bandas de energía de un semiconductor (bajas temperaturas) + e-e- + e-e- + e-e- + e-e- energía Banda de conducción vacía Banda prohibida Energy gap [Eg] Banda de valencia llena

9 Conclusions banda de valencia band banda de conducción Los huecos contribuyen a la corriente en la banda de valencia band (BV) como los electrones lo hacen en la banda de conducción (BC). Un hueco no es una partícula libre. Puede existir solamente dentro del sólido. Es un estado electrónico vacante. Las transiciones electrónicas entre bandas resultan en igual número de e - en BC y huecos en la BV. Esta es una propiedad de semiconductores intrínsecos (no dopados). En el caso de semiconductores extrínsecos (dopados) esto no es así.

10 Conducción bipolar: dos portadores. Después de la transición, la banda de valencia no está más llena, está parcialmente llena y puede conducir electricidad La conductividad es debida tanto a electrones y huecos (conducción bipolar). occupied Banda de valencia (parcialmente llena) Electron energy empty After transition

11 ¿Qué tipo de mecanismo de excitación puede hacer que un e - haga una transición desde el máximo de la banda de valencia al mínimo de la banda de conducción ? Energía térmica ? Campo eléctrico ? Radiación electromagnética? Para tener portadores de carga en un semiconductor uno debe usar uno de estos mecanismos de excitación. Eg BC parcialmente llena BV parcialmente vacía Diagrama de bandas de energía de un semiconductor a temperatura finita

12 1- Energía térmica: Energía térmica: k x T = 1.38 x J/K x 300 K =25 meV Tasa de excitación = constante x exp(-Eg / kT) Aunque la energía térmica a temperatura ambiente es muy pequeña, 25 meV, algunos electrones pueden ser promovidos a la BC. Electrones pueden ser promovidos a la CB por medio de energía térmica. Esto es debido al crecimiento exponencial de la tasa de excitación con el aumento de temperatura.

13 Para bajos campos, este mecanismo no promueve electrones a la BC en semiconductores como el Si o el GaAs. Un campo eléctrico de10 18 V/m puede proveer una energía del orden de 1 eV. Este campo es enorme. 2- Campo eléctrico : El uso de campos eléctricos como un mecanismo de excitación no es una forma útil de promover electrones en semiconductores.

14 3- Radiación electromagnetica : h = 6.62 x J-s c = 3 x 10 8 m/s 1 eV=1.6x J Para promover electrones de la BV a la BC en Si la longitud de onda de los fotones debe ser 1.1 μm o menos. Infrarrojo cercano

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16 Semiconductors

17 Para un sistema de fermiones id é nticos, el n ú mero medio de fermiones en un estado de part í cula ú nica esta dado por la distribuci ó n de Fermi – Dirac: μ es el potencial qu í mico. A temperatura cero, μ es igual a la Energ í a de Fermi m á s la energ í a potencial por electr ó n. Para el caso de electrones en un semiconductor es t í picamente llamado el nivel de Fermi o potencial electroqu í mico.

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