FÍSICA DE SEMICONDUCTORES BANDAS DE ENERGÍA

Presentación del tema: "FÍSICA DE SEMICONDUCTORES BANDAS DE ENERGÍA"— Transcripción de la presentación:

1 FÍSICA DE SEMICONDUCTORES BANDAS DE ENERGÍA
UN Carlos Andrés Méndez Tafur fsc23Carlos 20/06/15

2 De niveles discretos a bandas de energía
Hable sobre la evolución de las bandas de energía que presentan las estructuras cristalinas (muchos átomos) partiendo de los niveles discretos de los átomos individuales Ilustre cómo la estructura de las bandas de energía de un material impacta en las propiedades de un material. Qué son materiales: Aislantes Semiconductores Metales Qué son materiales intrínsecos, extrínsecos y anfóteros Tipos de Semiconductores Directos (GaAs) - transiciones Γ Indirectos (Si) - transiciones L o X

3 Evolución de las bandas de energía
Cuando átomos aislados se unen para formar un sólido, ocurren muchas interacciones entre átomos vecinos. Las fuerzas de atracción y de repulsión entre átomos encontraran un balance adecuado para lograr una separación interatómica correcta para el cristal. En este proceso cambios muy importantes ocurren en las configuraciones de los niveles de energía del electrón, y estos cambios son los que resultan en diferentes propiedades eléctricas de los sólidos. Los átomos de la misma clase tiene los mismos niveles de energía, pero si se juntan, los electrones de un mismo nivel no pueden ocupar exactamente el mismo nivel, por esta razón, trata de ubicarse en un nivel ligeramente diferente, pero muy cercano.

4 Evolución de las bandas de energía
Para determinar los niveles de energía de los enlaces y los estados antienlaces, es importante reconocer que en la región entre dos núcleos, la energía potencial V(r) se reduce en comparación con átomos aislados. Es fácil ver por qué la energía potencial se reduciría en esta región, ya que un electrón aquí sería atraído por dos núcleos, en lugar de sólo uno. Como resultado, el nivel de energía atómica original sería dividida en dos, lo que genera un nivel de energía de enlace inferior y un nivel de estado antienlace superior. Es la disminución de la energía del estado de enlace que da lugar a la cohesión del cristal. Para distancias interatómicas aún más pequeños, la energía del cristal sube debido a la repulsión entre los núcleos, y otras interacciones electrónicas.

5 Evolución de las bandas de energía
El principio de exclusión de Pauli dicta que no hay dos electrones en un sistema de interacción dada que puedan tener el mismo estado cuántico; por lo tanto debe haber a lo sumo un electrón por nivel, después hay una división de los niveles discretos de energía de los átomos aislados en nuevos niveles en lugar de átomos individuales. En un sólido, muchos átomos se unen, de modo que los niveles de energía de división forman bandas esencialmente continuas de energías.

6 Tipos de materiales: Aislante
La mayoría de las sustancia sólidas son aislantes, y en términos de la teoría de bandas de sólidos esto implica, que hay un gran espacio prohibido entre las energías de los electrones de valencia, y la energía a la cual se pueden mover los electrones libremente por el material (la banda de conducción). El vidrio es un material aislante que puede ser transparente a la luz visible, por razones estrechamente relacionadas con su naturaleza como aislante eléctrico. Los fotones de luz visible no tienen suficiente energía cuántica para saltar la banda prohibida, y levantar los electrones hasta un nivel de energía disponible en la banda de conducción. Las propiedades de visibilidad del vidrio también puede dar una idea de los efectos del "dopaje" en las propiedades de los sólidos.

7 Tipos de materiales: Semiconductor
En los semiconductores intrínsecos como el silicio y el germanio, el nivel de Fermi está esencialmente a mitad de camino entre las bandas de valencia y conducción. Aunque no ocurre conducción a 0ºK, a temperaturas superiores un número finito de electrones pueden alcanzar la banda de conducción y proporcionar algo de corriente. En un semiconductor dopado, se agregan niveles de energía extras. El aumento de la conductividad con la temperatura, se puede modelar en términos de la función Fermi, la cual, permite calcular la población de la banda de conducción.

8 Tipos de materiales: Metales o conductores
En términos de la teoría de bandas en sólidos, los metales son únicos como buenos conductores de la electricidad. Esto puede verse como el resultado de que sus electrones de valencia están esencialmente libres. En la teoría de bandas, esto se dibuja como una superposición de la banda de valencia con la banda de conducción, para que al menos una fracción de los electrones de valencia puedan moverse a través del material.

9 Materiales: Intrínsecos
Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción. Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.

10 Materiales: Extrínsecos
Cuando a la estructura molecular cristalina del material se le introduce cierta alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o de germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas". Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última órbita [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corriente eléctrica.

11 Materiales: Anfóteros
Un caso particular se produce cuando un material de grupo III o V de la tabla periódica es dopado con silicio o germanio del grupo IV. Estas impurezas son llamadas Anfóteras, ya que el Silicio y el Germanio sirven como donadores o aceptores.

12 Semiconductores directos e indirectos.
Clasificación directamente relacionada con las transiciones de los electrones y las bandas de energía del material.