FÍSICA DE SEMICONDUCTORES BANDAS DE ENERGÍA UN ANDRES FELIPE PINILLA TORRES FSC27ANDRES 2 DE JUNIO 2015

Bandas de energía a partir de niveles discretos Conforme los átomos en un sistema se van acercando más y más, sus estructuras electrónicas tienden a volverse idénticas. Así mismo mientras la distancia entre átomos se vuelve más pequeña, las funciones de onda de los electrones se comienzan a sobreponer. El principio de exclusión de Pauli dicta que dos electrones no pueden ocupar el mismo estado cuántico, así que no puede haber más de un electrón en el mismo nivel. Esto lleva a que la organización sea cercana pero no yuxtapuesta. Esta separación discreta de energías, tiende a ser reemplazada por niveles continuos de energía en el caso de los solidos, debido a la cantidad de átomos que se juntan.

Niveles de energía del Silicio

MATERIALES Aislantes Cada solido tiene su propia estructura de bandas de energía. Esta variación permite que haya un gran espectro de características eléctricas entre los materiales. A continuación se presentan las tres clases de materiales. Los aislantes, presentan una banda de valencia llena de electrones, separada de una banda de conducción que permanece vacía por una banda que contiene un estado de energía prohibido. En este material, los electrones permaneces ligados a los átomos aunque se le aplique un cambio alto de temperatura.

MATERIALES Semiconductores Los semiconductores se caracterizan por tener una gran resistividad cuando se está a una temperatura de 0K. Esto es común a los materiales conocidos como aislantes. La diferencia yace en la distancia que existe en la banda prohibida, que es mucho más pequeña en el caso de los semiconductores. Por ejemplo, el Silicio tiene una banda prohibida, de alrededor de 1.1eV comparado con una de 5eV que presenta el diamante.

MATERIALES Metales En el caso de los metales, las bandas se sobreponen o están parcialmente llenas. Esto permite que los electrones se puedan mover libremente bajo la influencia de un campo eléctrico. Como consecuencia, los metales presentan una gran conductividad. Finalmente, se presenta una gráfica que describe las estructuras de banda de los tres materiales a una temperatura de 0K.

Material intrínseco, extrínseco y anfótero. Un semiconductor cristalino con ninguna impureza o defectos de patrón se conoce como semiconductor Intrínseco. En estos materiales no hay portadores de carga a una temperatura 0K, ya que la banda de valencia está llena de electrones y la banda de conducción vacía. Conforme se aumenta la temperatura se generan pares electrón- hueco que permiten que exista una conducción de corriente sobre el material.

Material intrínseco, extrínseco y anfótero. Además de los materiales intrínsecos, existen semiconductores a los que se les introducen impurezas dentro del cristal, estos son conocidos como extrínsecos. El proceso conocido como dopaje, se usa para variar la conductividad de los semiconductores. Se pueden dopar tanto con electrones (tipo n) como huecos (tipo p). Este proceso permite que los semiconductores que antes eran intrínsecos, se les pueda aplicar una temperatura relativamente baja para que aparezcan los primeros electrones en la banda de conducción.

Material intrínseco, extrínseco y anfótero. 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.

Tipos de Semiconductores Directos e indirectos En un semiconductor directo como el caso del GaAs, un electrón en la banda de conducción puede llegar a un estado vacío de la banda de valencia emitiendo una diferencia de energía como un fotón de luz. En un semiconductor indirecto como es el Silicio, el electrón en mínimo valor de la banda de conducción, no puede pasar directamente a la banda de valencia sin haber recibido un impulso. Parte de la energía en este material se da por medio de calor.