MATERIALES SEMICONDUCTORES Llobregat Abellán, Alejandra Arribas Jaen, Elisabeth

ESTRUCTURA DE BANDAS DE ENERGÍA DE LOS SÓLIDOS Representación esquemática de la energía de los electrones en función de la separación interatómica. (a) Representación convencional de la estructura de bandas de energía de los materiales sólidos. (b) Energía de los electrones frente a la separación interatómica para un grupo de átomos. Estructuras de bandas de energía para aislantes, semiconductores y conductores. Intervalo prohibido de energía para algunos semiconductores y aislantes.

ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS SEMICONDUCTORES Estructura tipo diamante: Si, Ge, etc. Semiconductores laminares: dicalgenuros MoS2. Se apilan según el modelo AbA CbC AbA CbC Estructura tipo blenda: GaAs, GaN, ZnS Estructuras de bandas aproximadas para los dicalgenuros: Estructura hexagonal wurtzita: SiC El metal ocupa posiciones prismáticas trigonales. El metal ocupa posiciones octaédricas.

SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Modelo del electrón ligado para la conducción eléctrica en el Si intrínseco, antes de la excitación. Diagrama de bandas de un semiconductor: Modelo del electrón ligado en el silicio intrínseco después de la excitación.

SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS DE TIPO N Un átomo de impureza (como el P) con cinco electrones de valencia, puede sustituir a un átomo de silicio. Cada átomo de P que se añade produce un electrón de enlace extra que está ligado a la impureza y se mueve a su alrededor. Esquema de la estructura de bandas de energía para un nivel de la impureza donadora localizado dentro del intervalo prohibido de energía. Excitación para formar un electrón libre. Movimiento de este electrón libre en respuesta a un campo eléctrico. Excitación desde el estado donador para crear un electrón libre en la banda de conducción.

SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS DE TIPO P Un átomo de impureza, que tiene tres electrones de valencia, puede sustituir a un átomo de silicio. Esto produce una deficiencia de un electrón de valencia. Esquema de las bandas de energía para una impureza aceptadora localizada en el intervalo prohibido de energía. Movimiento de este hueco en respuesta a un campo eléctrico. Excitación de un electrón a los niveles aceptores dejando detrás un hueco en la banda de valencia.

PROPIEDADES DE LOS SEMICONDUCTORES PROPIEDADES ELÉCTRICAS Valores de algunos parámetros eléctricos: Conductividad: Influencia de las impurezas en la conductividad eléctrica SEMICONDUCTOR INTRISECO

PROPIEDADES ELÉCTRICAS SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO Variación de la resistividad con la concentración de impurezas. Variación de la movilidad de los electrones con la concentración de impureza donadora (tipo n). Semiconductor extrínseco de tipo n Semiconductor extrínseco de tipo p Variación de la movilidad de los electrones con la concentración de impureza aceptora (tipo p)

PROPIEDADES ELÉCTRICAS Influencia de la temperatura en la conductividad eléctrica

Influencia de la temperatura en la conductividad eléctrica Disminución de la movilidad del electrón al aumentar la temperatura Disminución de la movilidad de los huecos al aumentar la temperatura. Tipo de transportadores de carga EFECTO HALL Demostración esquemática del efecto Hall Tipo n Tipo p Tipo n Tipo p Movilidad de los transportadores de carga Concentración de transportadores de carga

PROPIEDADES MAGNÉTICAS Clasificación de los sólidos por sus propiedades magnéticas: Diamagnético Paramagnético Ferromagnético Semiconductores diamagnéticos no magnético Tecnología que permite la manipulación de los electrones por sus propiedades magnéticas, así como por su carga eléctrica (ejemplo mezcla de ZnO y Co) ESPINTRÓNICA El método de Gouy se basa en la variación del peso de la sustancia, suspendida en una balanza, producida por la interacción con un campo magnético. BALANZA DE GOUY Diagrama esquemático de la balanza de Gouy.

PROPIEDADES ÓPTICAS Reflexión Refracción Absorción a) Mecanismo de absorción de un de un fotón en un material no metálico donde un electrón se ha excitado a través del intervalo prohibido y ha creado un hueco en la banda de valencia. b) Emisión de un fotón de luz por transición electrónica directa a través del intervalo prohibido.

Opacidad y translucidez PROPIEDADES ÓPTICAS El color Tabla del espectro electromagnético visible. Esquema de la composición de la luz blanca (colores primarios y complementarios). Opacidad y translucidez

APLICACIONES DE LOS FENÓMENOS ÓPTICOS Luminiscencia Fotoconductividad En este fotómetro se observa como llega la luz visibles a la lámina fotosensible y la corriente de electrones generados por los fotones (luz visible) Láseres

Conductividad térmica PROPIEDADES TÉRMICAS Capacidad calorífica Capacidad vibratoria Dilatación térmica Fenómeno por el cual el calor es transportado desde las regiones de alta temperatura a las regiones de baja temperatura de una sustancia Conductividad térmica

SILICIO SEMICONDUCTOR Preparación del silicio: - Reacciona dióxido de silicio con carbón: - Seguidamente: Los átomos de Si comparten sus 4 electrones. Del SiHCl3 (triclorosilano) obtendremos el Si más puro una vez lo hayamos sometido a un método de destilación fraccionada. • Purificación del Si policristalino y crecimiento del monocristal: 1º- Destilación fraccionada; separamos parte de las impurezas. 2º- Fusión por zonas; purificamos prácticamente de forma total el material.

APLICACIONES DE LOS SEMICONDUCTORES • UNIÓN RECTIFICADORA P-N (DIODO) Polarización directa Polarización inversa UNIÓN RECTIFICADORA P-N: semiconductor dopado de manera que por un lado sea de tipo n (transportadores de carga los e-) y de tipo p en el otro lado (los huecos). Polarización directa: Polarización inversa:

APLICACIONES DE LOS SEMICONDUCTORES Transistores de unión • TRANSISTORES Transistores de efecto de campo (MOSFET) Transistor de efecto de campo: dos pequeñas Islas de semiconductores de tipo p que se crean en un substrato de Si de tipo n. Se forma una capa de SiO2 en la superficie y en dicha capa se produce una conexión final. Transistor de unión: formado por dos uniones p-n colocadas en una configuración p-n-p ó n-p-n con su circuito asociados.

APLICACIONES DE LOS SEMICONDUCTORES • Láseres: Figura a: un e- excitado se recombina con un hueco; la energía asociada a esta recombinación Se emite en forma de fotón de luz. Figura b: El fotón emitido en (a) estimula otra recombinación de un e- excitado con un hueco, generando la emisión de otro fotón de luz. Figura c: en el semiconductor se estimulan más recombinaciones de e- excitados con huecos, generando fotones de luz adicionales. Figura d: se observa como escapa una parte de rayo láser.

APLICACIONES DE LOS SEMICONDUCTORES - Creación de sustrato - Etapa de oxidación • CHIP DE SILICIO. - Fotolitografía Preparación. - Implantación de iones - División - Empaquetado Dibujo de un chip de silicio. - Alternativas a los chips de Silicio Polímeros conductores Carburo de silicio (SiC) Estructura de la cadena de un polímero.