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

Materiales Semiconductores Clasificación 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

Clasificación de los sólidos basado en grado de orden atómico Columna IV II III V VI

Clasificación basado en el grado de orden atómico Amorfo Policristalino Cristalino Ejemplo: Pantallas de cristal líquido (Si amorfo) Ejemplo: Puertas de Si policristalino en MOSFET Ejemplo: Formaciones de Si puro Imágenes basadas en: www.msm.cam.ac.uk/doitpoms/tlplib/AD3/defects.php

Estructura del silicio Redes de semiconductores 5.43 Ǻ (10-8cm) Tomado de: http://www.sv.vt.edu/classes/ESM4714/Student_Proj/class94/adamzeakes/lattice.html

Red cristalina de silicio Referencia: http://www.webelements.com/webelements/scholar/elements/silicon/structure.html

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

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

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

Modelo de enlace en semiconductores Átomo 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

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

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

Modelo simplificado de bandas de energía Ec 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

Representaciones en modelo de bandas vacío Ec Ev Ec Ev Ec Ev Completamente lleno Hueco resultante Sin portadores Pérdida del electrón

Modelo de bandas para distintos tipos de materiales Muy 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

Propiedades de los portadores Carga Masa efectiva Concentración de portadores de un material intrínseco

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

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

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

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

Acción donadora y aceptadora B- Acción aceptadora Acción donadora

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

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

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

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

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

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

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

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

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

La función de Fermi: Caso puntual T=0K Para E<EF 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

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

La función de Fermi: Variación con la temperatura El aumento de temperatura produce mayor probabilidad de ocupar estados superiores de energía Fuente: http://fermidiracstatistics.quickseek.com/

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

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

Ecuación de neutralidad de carga ND=número total de átomos donadores o impurezas/cm3 NA=número total de átomos aceptadores o impurezas/cm3