Materiales semiconductores (I) Semiconductores elementales: Germanio (Ge) y Silicio (Si) Compuestos IV: SiC y SiGe Compuestos III-V: Binarios: GaAs, GaP, GaSb, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP y InSb Ternarios: GaAsP, AlGaAs Cuaternarios: InGaAsP Compuestos II-VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe y CdTe Son materiales de conductividad intermedia entre la de los metales y la de los aislantes, que se modifica en gran medida por la temperatura, la excitación óptica y las impurezas. Materiales semiconductores (II) •Estructura atómica del Carbono (6 electrones) 1s2 2s2 2p2 •Estructura atómica del Silicio (14 electrones) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 •Estructura atómica del Germanio (32 electrones) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2 4 electrones en la última capa ATE-UO Sem 02 Materiales semiconductores (III) Carbono gaseoso (6 electrones) 1s2, 2s2, 2p2 4 estados vacíos - - 2p2 - - 2s2 - - 1s2 Distancia interatómica Banda de estados Estados discretos (átomos aislados) ATE-UO Sem 03 Materiales semiconductores (IV) Energía Reducción de la distancia interatómica del Carbono - - - - - - - - - Distancia interatómica Diamante: Cúbico, transparente, duro y aislante Grafito: Hexagonal, negro, blando y conductor ATE-UO Sem 04 Diagramas de bandas (I) Energía Diagrama de bandas del Carbono: diamante 4 estados/átomo Eg=6eV - - - 4 electrones/átomo Banda de conducción Banda prohibida Banda de valencia Si un electrón de la banda de valencia alcanzara la energía necesaria para saltar a la banda de conducción, podría moverse al estado vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino, generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente casi ningún electrón tiene esta energía. Es un aislante. ATE-UO Sem 05 Diagramas de bandas (II) Energía Diagrama de bandas del Carbono: grafito 4 estados/átomo - - 4 electrones/átomo Banda de conducción Banda de valencia No hay banda prohibida. Los electrones de la banda de valencia tienen la misma energía que los estados vacíos de la banda de conducción, por lo que pueden moverse generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente es un buen conductor. ATE-UO Sem 06 Diagramas de bandas (III) Energía Diagrama de bandas del Ge 4 estados/átomo Eg=0,67eV - - - 4 electrones/átomo Banda de conducción Banda prohibida Banda de valencia Si un electrón de la banda de valencia alcanza la energía necesaria para saltar a la banda de conducción, puede moverse al estado vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino, generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente algunos electrones tienen esta energía. Es un semiconductor. ATE-UO Sem 07 Diagramas de bandas (IV) Banda de conducción Eg Banda de valencia Aislante Eg=5-10eV Banda de conducción Banda de conducción Eg Banda de valencia Semiconductor Eg=0,5-2eV Banda de valencia Conductor No hay Eg A 0ºK, tanto los aislantes como los semiconductores no conducen, ya que ningún electrón tiene energía suficiente para pasar de la banda de valencia a la de conducción. A 300ºK, algunos electrones de los semiconductores alcanzan este nivel. Al aumentar la temperatura aumenta la conducción en los semiconductores (al contrario que en los metales). ATE-UO Sem 08 Representación plana del Germanio a 0º K - - G e - - - - - - - - - - - - - G e - - - - G e - - G e G e - - - G e G e - G e - - No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a que los electrones de la banda de valencia no pueden saltar a la banda de conducción. ATE-UO Sem 09 Situación del Ge a 0ºK 300º K (I) - - G e - G e - - - G e - - - - - - - - - - - - - - - + - - G e G e - - - G e G e - G e - - •Hay 1 enlace roto por cada 1,7·109 átomos. •Un electrón “libre” y una carga “+” por cada enlace roto. ATE-UO Sem 10 Situación del Ge a 300º K (II) - - Recombinación G e Generación - - G e - - - G e + - - - - Recombinación - - + - - - - - - G e G e + - - - - - - - - - G e - Generación G e - G e - Muy importante Generación - - Siempre se están rompiendo (generación) y reconstruyendo (recombinación) enlaces. La vida media de un electrón puede ser del orden de milisegundos o microsegundos. ATE-UO Sem 11 G e - - - G e - - - - - - -G e - - - - - - - - - - - - - - - - - + - G e G e - - G e G e - G e +++++++ - Aplicación de un campo externo (I) + •El electrón libre se mueve por acción del campo. •¿Y la carga ”+” ?. ATE-UO Sem 12 - G e -- - - - - - G e G e - - - - + - - - - - - - - G e G e - - - - - - G e - - G e + - G e - Muy importante +++++++ - - Aplicación de un campo externo (II) + •La carga “+” se mueve también. Es un nuevo portador de carga, llamado “hueco”. ATE-UO Sem 13 Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior (I) - - - - - + + + + + - - - - - + + + + + jp jn +++++ - E Existe corriente eléctrica debida a los dos portadores de carga: jp=q·p·p·E es la densidad de corriente de huecos. jn=q·n·n·E es la densidad de corriente de electrones. ATE-UO Sem 15 Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior (II) jp=q·p·p·E jn=q·n·n·E q = carga del electrón p = movilidad de los huecos n = movilidad de los electrones p = concentración de huecos n = concentración de electrones E = intensidad del campo eléctrico Ge Si As Ga (cm2/V·s) (cm2/V·s) (cm2/V·s) n 3900 1350 8500 p 1900 480 400 Muy importante ATE-UO Sem 16 Semiconductores Intrínsecos Todo lo comentado hasta ahora se refiere a los llamados “Semiconductores Intrínsecos”, en los que: •No hay ninguna impureza en la red cristalina. •Hay igual número de electrones que de huecos n = p = ni Ge: ni = 2·1013 portadores/cm3 Si: ni = 1010 portadores/cm3 AsGa: ni = 2·106 portadores/cm3 (a temperatura ambiente) ¿Pueden modificarse estos valores? ¿Puede desequilibrarse el número de electrones y de huecos? La respuesta son los Semiconductores Extrínsecos ATE-UO Sem 17 Semiconductores Extrínsecos (I) Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo V G e - - - - - G e - - - - - - - - - - - - - - Tiene 5 electrones en la última capa - - 3 4 0ºK 5 G e - - Sb - - 2 - - 1 G e - - G e - G e - G e A 0ºK, habría un electrón adicional ligado al átomo de Sb ATE-UO Sem 18 Semiconductores Extrínsecos (II) G e - - 300ºK 0ºK - - G e G e - - - - - - - - - - - 3 4 - - Sb Sb+ - - - 2 - - 1 5 - 5 G e - - - - G e - G e - G e - - A 300ºK, todos electrones adicionales de los átomos de Sb están desligados de su átomo (pueden desplazarse y originar corriente eléctrica). El Sb es un donador y en el Ge hay más electrones que huecos. Es un semiconductor tipo N. ATE-UO Sem 19 Semiconductores Extrínsecos (III) Energía Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor extrínseco Tipo N + 3 4 est./atm. 1 0 electr./atm. ESb=0,039eV 300ºK 0ºK Eg=0,67eV - - - 4 electr./atm. El Sb genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda de conducción. La energía necesaria para alcanzar la banda de conducción se consigue a la temperatura ambiente. ATE-UO Sem 20 Semiconductores Extrínsecos (IV) Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo III G e - - - - - - - - - - - - - - - - - - Tiene 3 electrones en la última capa 0ºK G e G e - 3 - - Al - 2 1 G e - - G e - G e - G e A 0ºK, habría una “falta de electrón” adicional ligado al átomo de Al ATE-UO Sem 21 Semiconductores Extrínsecos (V) G e - - - - - - - - - - - - - - 3 G 4 (extra) e - - Al Al- 300ºK 0ºK G e - 1 - - - 2 G e - + - - - G e - G e - G e - - A 300ºK, todas las “faltas” de electrón de los átomos de Al están cubiertas con un electrón procedente de un átomo de Ge, en el que se genera un hueco. El Al es un aceptador y en el Ge hay más huecos que electrones. Es un semiconductor tipo P. ATE-UO Sem 22 Semiconductores Extrínsecos (VI) Energía Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor extrínseco Tipo P 4 est./atom. EAl=0,067eV +- - 43 electr./atom. - - 01 huecos/atom. hueco/atom. 300ºK 0ºK Eg=0,67eV El Al genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda de valencia. La energía necesaria para que un electrón alcance este estado permitido se consigue a la temperatura ambiente, generando un hueco en la banda de valencia. ATE-UO Sem 23 Resumen Semiconductores intrínsecos: Muy importante •Igual número de huecos y de electrones Semiconductores extrínsecos: Tipo P: •Más huecos (mayoritarios) que electrones (minoritarios) •Impurezas del grupo III (aceptador) •Todos los átomos de aceptador ionizados “-”. Tipo N: •Más electrones (mayoritarios) que huecos (minoritarios) •Impurezas del grupo V (donador) •Todos los átomos de donador ionizados “+”. ATE-UO Sem 24
