dispositivos electronicos - … 1 y 2 los... · la respuesta son los semiconductores extrínsecos...

DISPOSITIVOS ELECTRONICOS

UNICA 1

Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I

ESCUELA DE ING. ELECTRONICA

Los Materiales semiconductores

Introducción a la Electrónica de Dispositivos



Semiconductores elementales: Germanio (Ge) y Silicio (Si)Compuestos IV: SiC y SiGeCompuestos III-V:Binarios: GaAs, GaP, GaSb, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP y InSbTernarios: GaAsP, AlGaAsCuaternarios: InGaAsPCompuestos II-VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe y CdTe

Son materiales de conductividad intermedia entre lade los metales y la de los aislantes, que se modificaen gran medida por la temperatura, la excitaciónóptica y las impurezas.

Materiales semiconductores (I)



•Estructura atómica del Carbono (6 electrones)1s2 2s2 2p2

•Estructura atómica del Silicio (14 electrones)1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2

•Estructura atómica del Germanio (32 electrones)

4 electrones en la última capa

Materiales semiconductores (II)



Distancia interatómica

Estados discretos(átomos aislados)

Carbono gaseoso (6 electrones) 1s2, 2s2, 2p2

Materiales semiconductores (III)

- 2s2-

Banda de estados

2p2

4 estados vacíos

- -

1s2--



Reducción de la distancia interatómica del CarbonoMateriales semiconductores (IV)

Distancia interatómica

Ener

gía

--

- -

--

Grafito:Hexagonal, negro, blando y conductor

----

Diamante:Cúbico, transparente, duro y aislante

----



Si un electrón de la banda de valencia alcanzara la energíanecesaria para saltar a la banda de conducción, podría moverse alestado vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino,generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente casi ningúnelectrón tiene esta energía.Es un aislante.

Banda prohibidaEg=6eV

Diagramas de bandas (I)Diagrama de bandas del Carbono: diamante

Banda de valencia4 electrones/átomo--

--

Banda de conducción

4 estados/átomo

Ener

gía


UNICA 2



No hay banda prohibida. Los electrones de la banda devalencia tienen la misma energía que los estados vacíosde la banda de conducción, por lo que pueden moversegenerando corriente eléctrica. A temperatura ambientees un buen conductor.

Diagramas de bandas (II)Diagrama de bandas del Carbono: grafito

Banda de valencia4 electrones/átomo


4 estados/átomo

--

--En

ergí

a



Si un electrón de la banda de valencia alcanza la energía necesariapara saltar a la banda de conducción, puede moverse al estadovacío de la banda de conducción de otro átomo vecino, generandocorriente eléctrica. A temperatura ambiente algunos electronestienen esta energía. Es un semiconductor.

Diagramas de bandas (III)Diagrama de bandas del Ge

Eg=0,67eV Banda prohibida

Banda de valencia4 electrones/átomo--

--


4 estados/átomo

Ener

gía



A 0ºK, tanto los aislantes como los semiconductores no conducen,ya que ningún electrón tiene energía suficiente para pasar de labanda de valencia a la de conducción. A 300ºK, algunos electronesde los semiconductores alcanzan este nivel. Al aumentar latemperatura aumenta la conducción en los semiconductores (alcontrario que en los metales).

Eg

Banda de valencia


AislanteEg=5-10eV

Diagramas de bandas (IV)

SemiconductorEg=0,5-2eV

Eg

Banda de valencia


Banda de valencia

ConductorNo hay Eg




No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale aque los electrones de la banda de valencia nopueden saltar a la banda de conducción.

Representación plana del Germanio a 0º K

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

--

--

--

--

- - - -

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - -



•Hay 1 enlace roto por cada 1,7·109 átomos.•Un electrón “libre” y una carga “+” por cada enlace roto.

Situación del Ge a 300ºK

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

--

- --

--

- - - -

- - - -

-



Situación del Ge a 300º K (II)

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

--

- --

--

- - - -

- - - -

--

+Generación

-

-

+

Recombinación

Generación

Siempre se están rompiendo (generación) yreconstruyendo (recombinación) enlaces. La vida mediade un electrón puede ser del orden de milisegundos omicrosegundos.

-

++

-

-

Recombinación

Generación

Muyimportante


UNICA 3



+-

+ + + + + + +

-------

-

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

--

- --

--

- - - -

- - - -

-

+

Aplicación de un campo externo (I)

•El electrón libre se mueve por acción del campo.•¿Y la carga ”+” ?.

- - --



Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

--

- --

--

- - - -

- - - -

--

+

+-

+ + + + + + + -------

Aplicación de un campo externo (II)

-

+

--

•La carga “+” se mueve también. Es un nuevo portador de carga, llamado “hueco”.

Muyimportante



Mecanismo de conducción. Interpretación en diagrama de bandas

---

-

Átomo 1

--

-

-

+

Átomo 2

---

-

Átomo 3

+- Campo eléctrico

+

-

-



jp

jn

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.

Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior

E + + + + +

-----

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

- +

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

- +

+



jp=q·p·p·E jn=q·n·n·E Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior

Ge(cm2/V·s)

Si(cm2/V·s)

As Ga(cm2/V·s)

n 3900 1350 8500p 1900 480 400

q = carga del electrón

p = movilidad de los huecosn = movilidad de los electronesp = concentración de huecosn = concentración de electronesE = intensidad del campo eléctrico

Muyimportante



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

Semiconductores Intrínsecos


UNICA 4



A 0ºK, habría un electrón adicional ligado al átomo

de Sb

Tiene 5 electrones en la última capa

Semiconductores ExtrínsecosIntroducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo V

- - - - -

- - - - -

- - -

- -

--

- --

--

- - - -

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - -

Sb

-

--1

2

34

5 0ºK



- - - - -

- - - - -

- - -

- -

--

- --

--

- - - -

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - -

Sb

-

--1

2

34

5 0ºK

Semiconductores Extrínsecos

300ºK

Sb+

5-

A 300ºK, todos electrones adicionales de los átomos de Sb estándesligados de su átomo (pueden desplazarse y originar corrienteeléctrica). El Sb es un donador y en el Ge hay más electronesque huecos. Es un semiconductor tipo N.



-

Ener

gía

Eg=0,67eV

4 electr./atm.

4 est./atm.0 electr./atm.

ESb=0,039eV

---

-

0ºK

El Sb genera un estado permitido en la bandaprohibida, muy cerca de la banda de conducción. Laenergía necesaria para alcanzar la banda deconducción se consigue a la temperatura ambiente.

Semiconductores ExtrínsecosInterpretación en diagrama de bandas de un

semiconductor extrínseco Tipo N

3 est./atm.1 electr./atm.-

+

300ºK



A 0ºK, habría una “falta de electrón” adicional ligado

al átomo de Al

Tiene 3 electrones en la última capa

Semiconductores Extrínsecos Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo III

- - - - -

- - - - -

- - -

- -

--

- --

--

- - - -

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - -

Al

-12

3

0ºK



A 300ºK, todas las “faltas” de electrón de los átomos de Al estáncubiertas con un electrón procedente de un átomo de Ge, en el quese genera un hueco. El Al es un aceptador y en el Ge hay máshuecos que electrones. Es un semiconductor tipo P.


- - - - -

- - - - -

- - -

- -

--

- --

--

- - - -

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

- - - -

Al

-12

3

0ºK300ºK

Al-

+

-

4 (extra)



Ener

gía

Eg=0,67eV

4 electr./atom.0 huecos/atom.

4 est./atom.

EAl=0,067eV

---

-

0ºK

+-

3 electr./atom.1 hueco/atom.

300ºK

Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor extrínseco Tipo P


El Al genera un estado permitido en la banda prohibida,muy cerca de la banda de valencia. La energía necesariapara que un electrón alcance este estado permitido seconsigue a la temperatura ambiente, generando unhueco en la banda de valencia.


UNICA 5



Semiconductores intrínsecos:•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 “+”.

Resumen

Muyimportante



Diagramas de bandas del cristalCristal de Ge con m átomos


Banda de valencia

4·m electrones

4·m estados

Ener

gía

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

0ºK

-

300ºK

-

++

¿Cómo es la distribución deelectrones , huecos y estadosen la realidad?



Eg=0,67eV (Ge)Banda prohibida

gv(E)

gc(E)E

Ec

Ev

Densidad de estados en las bandas de conducción y valencia

E1 dE

Significado: gv(E1)·dE = nº de estados con energía E1 enlos que puede haber electrones en la banda de valencia,por unidad de volumen. Lo mismo para la otra banda

gc(E)= densidad de estados en los que puede haber electrones en la banda de conducción

gv(E)= densidad de estados en los que puede haber electrones en la banda de valencia



T=500ºK

T=0ºK

T=300ºK

f(E) es la probabilidad de que un estado de energía E esté ocupado por un electrón, en equilibrio

1 + e (E-EF)/kT

f(E) = 1

Función de Fermi f(E)

EF=nivel de Fermik=constante de BoltzmannT=temperatura absoluta

0

0,5

1

0

f(E)

EF E



gv(E)

gc(E)

Estados posibles

Estados posibles

Ec

Ev

E

f(E)10,50

EF

Calculamos la concentración de electrones en la banda de conducción, “n”.

n = gc(E)·f(E)·dE

Ec

En general:Estados vacíos completamente

Estados completamente llenos de electrones

f(E)b. cond.=0,luego n = 0

A 0ºK:



Ec

Ev

Estados posibles

Estados posibles

gc(E)

gv(E)

Electrones

n electrones/vol.

E

f(E)10,50

EF

Semiconductor intrínseco a alta temperatura(para que se puedan ver los electrones)

huecos

n = gc(E)·f(E)·dE

Ec


UNICA 6



Ec

Ev

Estados posibles

Estados posibles

gc(E)

gv(E)

1-f(E)

Huecos

Electrones

E

10,50

EF

f(E)

El nivel de Fermi tieneque ser tal que lasáreas que representanhuecos y electronessean idénticas (sem.intrínseco)

Calculamos la concentración de huecos en la banda de valencia, “p”.

-p = gv(E)·(1-f(E))·dE = nEv



f(E)

1-f(E)

Semiconductor intrínseco

n

p f(E)

1-f(E)

Semiconductor extrínseco tipo N

p

n

Sube el nivel de Fermi

f(E)

1-f(E)n

p

Semiconductor extrínseco tipo P

Baja el nivel de Fermi

Concentración de electrones y huecos en sem. intrínsecos, extrínsecos tipo N y extrínsecos tipo P

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