Tecnología Microeléctrica

1. INTRODUCCIÓN:
Los materiales de interés para nosotros pueden dividirse principalmente en conductores, semiconductores y
aislantes.
Los semiconductores puros se encuentran en la columna IV de la tabla periódica de elementos y los más
ampliamente utilizados son el silicio y el germanio por sus buenas características y sobre todo por su gran
disponibilidad en la Naturaleza, concepto que está íntimamente ligado con el precio.
A veces nos interesa dopar el semiconductor para variar alguna de sus propiedades.
Si deseamos un dopado N (exceso de electrones) utilizaremos materiales de la columna V y si deseamos un
dopado P (exceso de huecos) materiales de la columna III.
Podemos conseguir también dopados N o P con elementos de las columnas II y VI o incluso con tierras raras
aunque ésta última técnica todavía está en proceso de investigación.
En cuanto a la función de cada uno de los materiales que emplearemos podemos adelantar que los
semiconductores nos servirán como soporte y para realizar las diferentes capas del componente
principalmente, los metales para realizar los contactos , y por último utilizaremos aislantes como polímeros o
cerámicas como capas protectoras por ejemplo para evitar la oxidación.
2. CONCEPTO DE SÓLIDO:
Podemos definir un sólido como material elástico−rígido.
El vidrio, por ejemplo, no es considerado un material sólido. Hay que tener en cuenta el grado de viscosidad
de los materiales.
2.1 Modelo
Representamos los elementos mediante el modelo de BOHR.
Eléctricamente el átomo es neutro, tiene igual número de cargas positivas y negativas.
Para los fenómenos eléctricos sólo nos interesa lo que ocurre con los electrones de la última capa que son los
que tienen mayor movilidad.
Para que se produzcan los fenómenos que nos interesan será necesario tratar de variar de alguna manera la
estructura de ésta última capa.
Nos interesarán especialmente las estructuras covalentes.
Una estructura AMORFA es amorfa y desordenada como por ejemplo el vidrio o la sílice (también llamado
cuarzo).
Una estructura CRISTALINA es una estructura perfectamente ordenada.
Los materiales cristalinos pueden a su vez dividirse en MONOCRISTALINOS y POLICRISTALINOS en
función de su grado de pureza.
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2.2 Clasificación dependiendo de la resistividad:
AISLANTE: Material de alta resistividad, en torno a 10E6ðcm.
Gran resistencia al desplazamiento de electrones ( electrones en banda de valencia).
Pueden agregarse impurezas que favorecen el desplazamiento de las cargas.
CONDUCTOR: Muy baja resistividad, en torno a 10E−8ðcm.
Los electrones están ubicados en la banda de conducción luego necesitan poca energía para desplazar las
cargas.
SEMICONDUCTORES: Resistividad en el margen 10E−3 / 10E3ðcm.
Existen electrones tanto en la banda de valencia como en la de conducción.
3. CRISTALES:
Los átomos se sitúan de forma muy ordenada separándose por distancias entre 5 y 10Å. Los electrones
también se desplazan de forma bastante ordenada.
Si existen deformaciones en un cristal serán debidas a rupturas, dislocaciones y/o lagunas.
Es importante no perder de vista que no existen materiales 100% puros sino que siempre existirá un
porcentaje mayor o menor de impurezas.
3.1 Orientación:
Es un parámetro muy importante a la hora de conocer un cristal y nos da una idea de como está formado
internamente, es decir, de su estructura.
Todas las orientaciones no serán posibles de utilizar.
La orientación se caracteriza por tres números que corresponden ordenadamente a los ejes x, y, z.
Atendiendo a ésta definición indicaremos mediante 100 un cristal orientado sobre el eje x y así sucesivamente.
3.2 Distribución de energía:
Los electrones se desplazan en forma de ondas planas. Una vez considerado el desplazamiento plano y
periódico en el espacio elegimos la primera zona de BRILLOUIN de forma que logremos simetría respecto al
desplazamiento.
De ésta forma logramos un estudio más sencillo de los saltos de banda de los electrones.
El movimiento de los electrones es aleatorio. Nos interesa determinar el mínimo valor de Ec y el máximo
valor de Ev.
Si ambos valores están sobre el mismo eje se produce una TRANSICIÓN DIRECTA y se elimina un fotón.
Si por el contrario en el momento de la transición el mínimo valor de Ec y el máximo valor de Ev no están en
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el mismo eje se produce la llamada TRANSICIÓN INDIRECTA que produce una variación del momento,
pérdida de calor, o incluso otras dificultades.
Existirán por tanto materiales de BANDA INDIRECTA en los que el mínimo de Ec y el máximo de Ev no
están en el mismo eje, lo que conlleva un mayor tiempo de tránsito y una mayor energía para que se produzca
el salto (el salto no es vertical sino oblicuo), y materiales de BANDA DIRECTA en los que el salto es
vertical y el tiempo de tránsito pequeño.
3.3 Distribución de los átomos en los semiconductores:
SILICIO: Sus 14 electrones están distribuidos en tres capas según el modelo de Bohr.
En la primera capa tiene 2 electrones, 8 en la segunda y 4 en la más alejada del núcleo.
Eléctricamente es neutro pero podemos cargarle tanto positiva como negativamente quitándole o agregándole
electrones a la última capa.
ARSENIURO DE GALIO: El arseniuro cede un electrón de su órbita al galio quedando el primero cargado
positivamente y el segundo negativamente.
Todos los materiales semiconductores van a distinguirse por lo que conocemos como ENERGIA DE GAP
que es la energía necesaria para que los electrones salten de la banda de valencia a la banda de conducción.
En la tabla que presentamos en la página siguiente se ofrecen una serie de valores indicativos de éste
parámetro para diferentes semiconductores y a diferentes valores de temperatura.
Material
Ge
Si
GaAs
InP
InSb
EG(ev) a Tª=300K
0.66
1.12
1.43
0.29
0.16
EG(ev) a Tª=0K
0.75
1.16
1.52
1.34
0.26
3.4 Concentración de portadores:
El germanio tiene una alta concentración de portadores, mayor que la del silicio, pero éste último se puede
producir más fácilmente y es mucho más barato.
La concentración de portadores varia con la temperatura y con la estructura del material, sobre todo en los
sólidos.
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