Elementos Activos EL-2207

1. Elementos ActivosEL-2207 Tema: Semiconductores Ing. Adolfo Chaves Jiménez

2. Materiales Semiconductores

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

4. Clasificación basado en el grado de orden atómico Amorfo Cristalino Policristalino 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

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

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

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

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

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

10. Átomo único Silicio Modelo de enlace en semiconductores Modelo 3D 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

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

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

13. Ec Ev Modelo simplificado de bandas de energía 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

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

15. Ec Ev Modelo de bandas para distintos tipos de materiales Muy estrecha Pocos electrones Ec Ec Ev Eg~1.42 eV (GaAs) Eg~1.12 eV (Si) Eg~ 0.66 eV (Ge) Eg~8 eV (SiO2) Eg~8 eV (Diamante) amplia Superpuesta Ev Ec Ev Aislantes Metales Semiconductores

16. Propiedades de los portadores • Carga • Masa efectiva • Concentración de portadores de un material intrínseco

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

18. Propiedades de los portadores: Masa Efectiva Electrón en material semiconductor Electrón en el vacío

19. Masa efectiva para la densidad de estados a 300 K

20. Dopado: Dopantes comunes de silicio

21. B- P+ Acción donadora y aceptadora Acción aceptadora Acción donadora

22. Energía de enlaces para dopantes comunes

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

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

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

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

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

28. P+ Terminología relacionada con los portadores: Material tipo n • Material dopado con donadores; un semiconductor que contiene más elecrones que huecos

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

30. La función de FermiProbabilidad 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)

31. f(E) 1 1/2 EF E La función de Fermi: Caso puntual T=0K • Para E<EF • Para E>EF * Todos los electrones están por debajo del nivel de Fermi

32. La función de FermiCaso General T>0K Casos: f(E) 1 1/2 EF E EF-3kT EF+3kT

33. 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/

34. 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

35. 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

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