MATERIALES SEMICONDUCTORESPROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERA MECNICA-ELCTRICA Y MECATRNICA

Los materiales electrnicos se pueden clasificar dependiendo de la magnitud de su conductividad elctrica en:

Superconductores

Conductores normales

Semiconductores

Materiales dielctricos o aislantesMATERIALES ELECTRNICOS

Gran parte de los avances en la sociedad de la informacin se han debido al desarrollo de los semiconductores

Prcticamente podramos decir que vivimos en una sociedad basada en los semiconductores. En casi en todas las actividades humanas se hace uso de los semiconductores, principalmente dentro de los circuitos integrados El estudio de los semiconductores es fundamental para el entendimiento de los dispositivos electrnicos modernos MATERIALES SEMICONDUCTORES

Conduccin ElctricaLa corriente elctrica es debida al arrastre de electrones en presencia de un campo EEl flujo de corriente depende de: La Intensidad del campo elctrico Cantidad (concentracin) de electrones libres en el material Movilidad de los electrones en ese material

Elementos semiconductores

ElementoGrupoElectrones de valenciaCdII B2Al, Ga, B, InIII A3Si, C, GeIV A4P, As, SbV A5Se, Te VI A6

QU ES UN SEMICONDUCTOR?Elemento que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de las condiciones en las que se encuentre.El numero de electrones libres de un semiconductor depende de los siguientes factores: Calor, luz, campos elctricos y magneticos.

Conduccin Elctrica Para que la conduccin de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones que no estn ligados a un enlace determinado (banda de valencia), sino que sean capaces de desplazarse por el cristal (banda de conduccin). La separacin entre la banda de valencia y la de conduccin se llama banda prohibida, porque en ella no puede haber portadores de corriente. As podemos considerar tres situaciones:

Los metales, en los que ambas bandas de energa se superponen, son conductores. Los aislantes (o insuladores), en los que la diferencia existente entre las bandas de energa, del orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones.

Los semiconductores, en los que el salto de energa es pequeo, del orden de 1 eV, por lo que suministrando energa pueden conducir la electricidad; pero adems, su conductividad puede regularse, puesto que bastar disminuir la energa aportada para que sea menor el nmero de electrones que salte a la banda de conduccin; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya conductividad es constante, o ms propiamente, poco variable con la temperaturaEl electronvoltio, abreviado como eV, es una unidad de energa equivalente a la energa cintica que adquiere un electrn al ser acelerado por una diferencia de potencial en el vaco de 1 voltioConduccin Elctrica

Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos qumicos semiconductores de la tabla peridica se indican en la tabla siguiente

El elemento semiconductor ms usado es el silicio, aunque idntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear tambin el azufre. La caracterstica comn a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuracin electrnica spSemiconductores

Semiconductores

Elemento Grupo Electrones en la ltima capaCdII A2 e-Al, Ga, B, InIII A3 e-Si, GeIV A4 e-P, As, SbV A5 e-Se, Te, (S)VI A6 e-

Teora de bandasEn fsica de estado slido, es una teora segn la cual se describe la estructura electrnica de un material como una estructura de bandas electrnicas - o simplemente estructura de bandas de energa

Bandas de Energa La banda de valencia: est ocupada por los electrones de valencia de los tomos, es decir, aquellos electrones que se encuentran en la ltima capa o nivel energtico de los tomos. Los electrones de valencia son los que forman los enlaces entre los tomos, pero no intervienen en la conduccin elctricaLa banda de conduccin: est ocupada por los electrones libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus tomos y pueden moverse fcilmente. Estos electrones son los responsables de conducir la corriente elctrica

Entre la banda de valencia y la de conduccin existe una zona denominada banda prohibida o gap, que separa ambas bandas y en la cual no pueden encontrarse los electrones

Bandas de Energa

CONDUCTORES, AISLANTES Y SEMICONDUCTORESEl electronvoltio, abreviado como eV, es una unidad de energa equivalente a la energa cintica que adquiere un electrn al ser acelerado por una diferencia de potencial en el vaco de 1 voltio

METALES, SEMICONDUCTORES Y AISLADORES

TIPOS DE SEMICONDUCTORES

Una de las propiedades ms importantes de los semiconductores es la cantidad de portadores como funcin de la temperatura. El modelo de las 2 corrientes es el usado para describir los portadores, donde los electrones exitados son los que conducen cargas negativas y los huecos transportan carga positiva. As que las cantidades importantes a determinar son la cantidad de portadores en la banda de conduccin ( nc ) y la cantidad de portadores en la banda de valencia ( pv )TIPOS DE SEMICONDUCTORES

Dependiendo de la relacin entre la cantidad de portadores en cada banda podremos clasificar a los semiconductores. As es como si la cantidad de portadores (huecos) en la banda de valencia es igual a la cantidad de portadores de la banda de conduccin (electrones) tendremos lo que se llama un semiconductor intrnseco (nc = pv). Si en cambio la relacin cambia se dice que es un semiconductor extrnsecoTIPOS DE SEMICONDUCTORES

El caso intrnseco se da en cristales puros, donde la densidad de carga es despreciable. Las bandas de conduccin solo pueden ser ocupadas por electrones que abandonaron la banda de valencia, dejando una vacancia, o sea un hueco. De esta manera la cantidad de cada tipo de portador esta siempre balanceada

El caso extrnseco, por el contrario, tiene exceso ya sea de electrones o huecos. Esto se debe que el cristal puro se encuentra "contaminado o dopado con un tomo de otro tipo que puede agregar un donor (electrn) o un aceptor (hueco), esto pasa cuando ese tomo contaminante tiene una cantidad distinta de electrones en la capa de valencia a los de la red puraTIPOS DE SEMICONDUCTORES

Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en rbita exterior de valencia. Los conductores tienen 1 electrn de valencia, los semiconductores 4 y los aislantes 8 electrones de valenciaSemiconductores

El aumento de la temperatura hace que los tomos en un cristal de silicio vibren dentro de l, a mayor temperatura mayor ser la vibracin. Con lo que un electrn se puede liberar de su rbita, lo que deja un hueco, que a su vez atraer otro electrn, etc...Semiconductor IntrnsecoLos semiconductores intrnsecos son materiales que no dependen de las impurezas para lograr sus conductividades, sino mas bien su conductividad depende de su pureza y la temperatura

SEMICONDUCTORESFotoconduccin. Un fotn (esto es, energa luminosa) impulsa al electrn a efectuar el salto de energa, produciendo un par "electrn de conduccin + hueco de valencia", formando portadores de valencia. La recombinacin ocurre cuando el electrn regresa a su banda de valencia. Luminiscencia. Cada milisegundo, una fraccin de los electrones energizados hacia la banda de conduccin regresan a la banda de valencia. Cuando el electrn cae efectuando el salto, la energa puede ser liberada como un fotn.

A 0 K los 4 electrones de cada tomo estn en la Banda de Valencia A 300 K (27 C, temperatura ambiente) o a mayor temperatura, algn electrn puede conseguir suficiente energa como para pasar a la Banda de Conduccin, dejando as un hueco en la Banda de ValenciaBC = Banda de Conduccin BV = Banda de ValenciaBandas de Energa en un Semiconductor Intrnseco

SEMICONDUCTIVIDAD INTRNSECA CONTRA TEMPERATURAA temperatura ambiente (20 C) el promedio de energa de los electrones de valencia es de 0,025 eV. Esta energa promedio se incrementa en forma proporcional a la temperatura absoluta, K. Todava ms importante con energas anormalmente ms altas se incrementa marcadamente

La manera ms sencilla de obtener el intervalo de energa , Eg, de un semiconductor es midiendo su conductividad a dos diferentes temperaturas y, resolviendo luego la ecuacin:

Semiconductividad contra temperatura (germanio intrnseco: Eg = 0.72 eV).Este grfico es una lnea recta debido a que representa la ecuacin de log a contra 1/T De la grfica: SEMICONDUCTIVIDAD INTRNSECA CONTRA TEMPERATURA

Si a un semiconductor intrnseco, se le aade un pequeo porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrnseco, y se dice que est dopado. Evidentemente, las impurezas debern formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente tomo de silicio

Los semiconductores extrnsecos dependiendo de los tomos de impurezas aadidas se clasifican en semiconductores extrnsecos tipo N y semiconductores extrnsecos tipo P, los primeros tienen una produccin excesiva de electrones y los segundos una produccin excesiva de huecos

Semiconductores extrnsecos

Los tomo de valencia 5 tienen un electrn de ms, as con una temperatura no muy elevada (a temperatura ambiente por ejemplo), el 5 electrn se hace electrn libre. Esto es, como solo se pueden tener 8 electrones en la rbita de valencia, el tomo pentavalente suelta un electrn que ser libreImpurezas de valencia 5 (Arsnico, Antimonio, Fsforo)A estas impurezas se les llama "Impurezas Donadoras"SEMICONDUCTOR EXTRNSECO TIPO N

Tenemos muy pocos tomos de impurezas (+5) en comparacin con los tomos normales de Silicio (+4)Como se impurifica muy poco,los tomos de +5 estn muy alejados y no se influyen entre si, pudiendo tener electrones de tomos diferentes la misma energa y por lo tanto estn todos al mismo nivel. Esa energa que tienen se llama "Energa del tomo Donador" (ED) En cuanto se le de una pequea energa los electrones suben a la BC y se convierten en libresBandas de Energa en un Semiconductor tipo N

En este caso se dopa el material con tomos de valencia 5, como son Fsforo (P), Arsnico (As) o Antimonio (Sb). Al introducirlos, fuerzo al quinto electrn de este tomo a vagar por el material semiconductor, pues no encuentra un lugar estable en el que situarse. Al conjunto de estos electrones se les llama electrones mayoritariosAl material tipo N se ledenomina tambindonador de electronesSEMICONDUCTOR EXTRNSECO TIPO N

SEMICONDUCTOR EXTRNSECO TIPO N

Impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro, Galio). Los tomo de valencia 3 tienen un electrn de menos, entonces como nos falta un electrn tenemos un hueco. Esto es, ese tomo trivalente tiene 7 electrones en la orbita de valencia. Al tomo de valencia 3 se le llama "tomo trivalente" o "Aceptor"A estas impurezas se les llama "Impurezas Aceptoras"SEMICONDUCTOR EXTRNSECO TIPO P

En este caso las impurezas son tomos de +3, y como en el caso anterior hay muy pocos y estn muy alejados por lo que los electrones de tomos diferentes estn al mismo nivel energtico. Esa energa es la "Energa del tomo Aceptor" (EA)A 300 K o ms, el electrn cercano a EA sube desde la BV y deja un hueco en la BV mientras que la EA se llena de electrones. Se sigue dando generacin trmica tambin, pero como antes es despreciableBandas de Energa en un Semiconductor tipo P

En este caso se dopa el material semiconductor con tomos de valencia 3, como son Boro (B), Galio (Ga) o Indio (In). Si se introduce este tomo en el material, queda un hueco donde debera ir un electrn. Este hueco se mueve fcilmente por la estructura como si fuese un portador de carga positiva. En este caso, los huecos son portadores mayoritariosAl material tipo P se ledenomina donador dehuecos (o aceptadorde electrones)SEMICONDUCTOR EXTRNSECO TIPO P

SEMICONDUCTOR EXTRNSECO TIPO P

SEMICONDUCTOR EXTRNSECO TIPO PLa figura muestra como los huecos conducen la corriente a travs de una pieza de silicio tipo P. La pieza se somete a un campo elctrico por la conexin de una diferencia de voltaje en sus extremos. los millones de huecos en el cristal dopado corren en la direccin opuesta al flujos de electrones en los cables

Los semiconductores tipo N tienen exceso de portadores de carga negativos (electrones) y los semiconductores tipo P tienen exceso de portadores de carga positiva (huecos)Resumen

*Dos mtodos para obtener Si cristalinoa) Mtodo de Czochraiski b) Mtodo de Zona flotantePRODUCCIN DE SEMICONDUCTORES

PROCESO TPICO DE LA PRODUCCIN DE SEMICONDUCTORES

Los procesos de fabricacin de los semiconductores comprenden una serie de pasos complejos, que parten de la definicin de la geometra que cada dispositivo, preferentemente transistores de tipo MOS (Metal-Oxido-Semiconductor), debe poseer

Estos dispositivos tienen que definirse sobre la superficie activa de unas obleas de silicio (formas circulares de poco espesor), donde por medio de procesos fotolitogrficos se transfieren los patrones dibujados sobre unos masters denominados mscaras a las citadas obleas. Cada patrn transferido, se imprime sobre resinas fotosensibles, que tras la exposicin a luz ultravioleta se endurecen o disuelven, protegiendo o exponiendo partes de la superficie de la oblea a diferentes tratamientos, como son la impurificacin con material de tipo n o p, la oxidacin, los depsitos de silicio o metales, o el ataque qumico selectivo.PROCESO TPICO DE LA PRODUCCIN DE SEMICONDUCTORES

Estos procesos se llevan a cabo utilizando reactivos de alta pureza, as como maquinaria y manipuladores muy precisos y costosos. Muchos de los tratamientos se realizan a altas temperaturas en hornos especiales, como el que se muestra en la Figura, para la oxidacin de las obleas

Una vez las obleas han sido convenientemente tratadas, son divididas en dados de pequeo tamao denominados chips, la superficie de los cuales puede ir desde unos cm2 a pocos mm2. Estos dados se montan sobre una superficie base, se conectan con hilo de oro a los terminales de conexin externa (pines) y se encapsulan para su distribucin.PROCESO TPICO DE LA PRODUCCIN DE SEMICONDUCTORES

Una unin P-N polarizada externamente es capaz de conducir solamente en un sentido, tiene propiedades rectificadoras y se conoce como diodo

El diodo

El diodo es un componente electrnico que consiste simplemente en la unin de dos cristales semiconductores extrnsecos, uno tipo N y otro tipo P. Al unirlos, parte del exceso de electrones del tipo N pasa al cristal tipo P, y parte de los huecos del tipo P pasan al cristal tipo P. Crendose en la unin una franja llamada zona de transicin que tiene un campo elctrico que se comporta como una barrera que se opone al paso de ms electrones desde la zona N hacia la zona P y de huecos desde la zona P a la zona NEl diodo

El transistor es un dispositivo electrnico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. Inventado en los Laboratorios Bell (EEUU, 1947) por Bardee-Brattain-Shockley (Nobel, 1956)El transistor es un dispositivo electrnico de estado slido capaz de amplificar seales y constituye la pieza clave de toda la Electrnica Analgica.El transistor de unin o bipolar (BJT, bijunction transistor) es un dispositivo formado por tres bloques de semiconductor (normalmente de silicio).Existen dos tipos: transistor PNP o NPN, cuyo nombre hace referencia a la posicin del tipo N o P de cada bloqueEl transistor

El transistor El bloque central es muy estrecho y recibe el nombre de base (B). Los dos bloques, a izquierda y derecha de la base, reciben el nombre de emisor (E) y colector (C), respectivamenteEl emisor tiene ms impurezas (de tipo P) que la base (tipo N), y sta ms que el colector (tipo P)No se trata, por consiguiente, de un dispositivo simtrico y las zonas de agotamiento no tienen la misma anchura en cada unin debido a esta diferencia de concentracin de impurezas entre los bloques

El transistor

Aplicaciones de los transistores

Un circuito integrado (CI) o chip, es una pastilla muy delgada en la que se encuentra una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrnicos interconectados, principalmente diodos y transistores, adems de componentes pasivos como resistencias o condensadores. Su rea es de tamao reducido, del orden de un cm o inferior.Circuito Integrado (CI) o chipLos dispositivos integrados pueden ser tanto analgicos como digitales, aunque todos tienen como base un material semiconductor, normalmente el silicio

Circuito Integrado (CI) o chip

Circuito Integrado (CI) o chip