semiconductores ok

SEMICONDUCTORES

Presentado por:

Luis Alberto Carpio Nuñez.

11/11/2014

Descubrimiento de los semiconductores y primeras aplicaciones

11/11/2014

Programa de búsqueda para sustituir los conmutadores electromecánicos con otros

basados en semiconductores.1936 Bell T. Laboratories

Propone una teoría de bandas del sólido y el concepto de impurezas donadoras y

aceptoras.1931 A. Wilson

Concepto de hueco como quasi-partícula de carga positiva1931 W. Heisenberg

Postula que la resistividad de los semiconductores depende de T1903 J. Koenigsberg

Descubre que la corriente eléctrica en los metales es debida al movimiento de los

electrones1901 V. E. Riecke

Descubrimiento del electrón1897 J.J. Thomson

Primer diodo de vacío 1874 F. Braun

Descubre que la conductividad de algunos materiales aumenta con T1833 M. Faraday

Introduce la palabra “semiconductor”1782 A. Volta

Primer fotodiodo basado en la unión p/n de silicio 1940

Shockley: dispositivo amplificador basado en semiconductores 1939

Primera radio de transistor1948

Invención del transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley )1947

Western Electric: primer transistor comercial (amplificador para auriculares para

sordos)1951

1956

1956

1956

1956

1956 Bardeen, Brattain e Shockley reciben el premio Nobel por la descubrimiento del transistor.

11/11/2014

Materiales semiconductores

Diferencias conductor – semiconductor

Semiconductores. Conducción intrínseca y

extrínseca

Modelo de bandas de energía

Ley de acción de masas

Ley de la neutralidad eléctrica

Corrientes de desplazamiento

Corrientes de difusión

11/11/2014

Diferencias conductor – semiconductor

Influencia de la temperatura en la resistencia

11/11/2014

108 (m)-1

Cu

s

T

Efecto Hall

Fotoresistencia

T

106 (m)-1

s

Ge

Efecto Hall

11/11/2014

VH

Jva

F

B

-VH

Jva

F

B

En semiconductores: silicio dopado con galio

En conductores

Variación de la conductividad por iluminación

11/11/2014

luz

Frecuencia radiación

Energía de los fotones

Foto

co

nductivid

ad d

el G

eA

Estructura de un metal

11/11/2014

+

+ ++

++

+

++

++

+

+

++

+

+ ++

++

+

++

++

+

+

++

+

++

++

+

++

++

+

+

++

+

1029 e- libres/m3

Estructura de un semiconductor

11/11/2014

Semiconductores. Conducción intrínseca

11/11/2014

T = 0 K

A 300 K: 1e– cada 109

átomos, 1019 e–/m3

T 0 K

rE

Ge

Concentración de e-: (n)

Concentración de h : (p)

n = p

Semiconductores. Conducción extrínseca

11/11/2014

e– poco ligado

(0.03 -0.1 eV)

e– ocupa el hueco

(0.04 -0.12 eV)

Ga

Átomo donador P,As,Sb: (ND)

A

s

tipo NrE

Átomo aceptor B,Al,Ga,In: (NA)

tipo P

Portadores mayoritarios: n 1022/m3

Portadores minoritarios: p 1016/m3

Portadores mayoritarios: p 1022/m3

Portadores minoritarios: n 1016/m3

Donadores y aceptores para el silicio

11/11/2014

1

H1,008

2

He4,003

3

Li6,941

4

Be9,012

5

B10,811

6

C12,011

7

N14,007

8

O15,999

9

F18,998

10

Ne20,183

11

Na22,990

12

Mg24,305

13

Al26,982

14

Si28,086

15

P30,974

16

S32,064

17

Cl35,453

18

Ar39,948

19

K39,10

20

Ca40,08

...

30

Zn65,37

31

Ga69,72

32

Ge72,59

33

As74,92

34

Se78,96

35

Br79,91

36

Kr83,80

37

Rb85,47

38

Sr87,62

...

48

Cd112,40

49

In114,82

50

Sn118,89

51

Sb121,75

52

Te127,60

53

I126,90

54

Xe131,30

55

Cs132,91

56

Ba137,33

...

80

Hg200,59

81

Tl204,37

82

Pb207,19

83

Bi208,98

84

Po(210)

85

At(210)

86

Rn(222)

Donadores y aceptores para el germanio

11/11/2014

1

H1,008

2

He4,003

3

Li6,941

4

Be9,012

5

B10,811

6

C12,011

7

N14,007

8

O15,999

9

F18,998

10

Ne20,183

11

Na22,990

12

Mg24,305

13

Al26,982

14

Si28,086

15

P30,974

16

S32,064

17

Cl35,453

18

Ar39,948

19

K39,10

20

Ca40,08

...

30

Zn65,37

31

Ga69,72

32

Ge72,59

33

As74,92

34

Se78,96

35

Br79,91

36

Kr83,80

37

Rb85,47

38

Sr87,62

...

48

Cd112,40

49

In114,82

50

Sn118,89

51

Sb121,75

52

Te127,60

53

I126,90

54

Xe131,30

55

Cs132,91

56

Ba137,33

...

80

Hg200,59

81

Tl204,37

82

Pb207,19

83

Bi208,98

84

Po(210)

85

At(210)

86

Rn(222)

Estructura electrónica

11/11/2014

Estados o niveles de

energía permitidos

EN

ER

GÍA

DE

Le

-

+p

Hidrógeno

+6

6Carbono: 1s2 2s2 2p2

aislante

14Silicio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

32Germanio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s24p2

semiconductores

50Estaño: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s24p64d105s25p2

conductor


11/11/2014

X3 X2 X1

Grafito Átomos aisladosDiamante

2s²

2p²

Niveles vacíos

Niveles ocupados

d

E

BANDAPROHIBIDA

BANDADE

CONDUCCIÓN

BANDADE

VALENCIA


(continuación)

11/11/2014

BV

BC

Eg = 10 eV

BV

BC

Eg = 1 eV

BV

BC

Aislante Semiconductor Conductor

Eg(Si) = 1,12 eV

Eg(Ge) = 0,66 eVT = 300 K

Modelo de bandas de energía.

Conducción intrínseca

11/11/2014

Eg (Si) 1,1 eV

Eg (Ge) 0,7 eV

Eg

E

T = 0 K

Banda de valencia

Banda prohibida

Banda de conducción

n = p = ni

T > 0 K


Conducción extrínseca (tipo n)

11/11/2014

0.01 eV

T > 0 K

Nivel donante

T = 0 K

E

Ión de

impureza

donante


Conducción extrínseca (tipo p)

11/11/2014

Nivel aceptor

E

0,01 eV

T = 0 K T > 0 K Ión de

impureza

aceptora

Huecos en la BV

Ley de acción de masas

ni(Ge, 300 K) = 2,4·1019 port./m3

ni(Si, 300 K) = 1,5·1016 port./m3

11/11/2014

n·p = ni2

kT2

E

2

3

i

g

eAT)t(fn

n: número de electrones por unidad de volumen

p: número de huecos por unidad de volumen

ni: concentración intrínseca

Ley de la neutralidad eléctrica

NA + n = ND + p

Intrínseco NA = ND = 0 p = n = ni

Tipo n NA = 0; n ND

Tipo p ND = 0; p NA

11/11/2014

D

2i

N

np

A

2i

N

nn

Concentraciones de portadores

11/11/2014

NA + n = p ; p >>>>> n; NA p

PN

Iones de impureza aceptora INMÓVIL

Hueco dejado por electrón MÓVIL

Electrón térmico MÓVIL

Hueco térmico MÓVIL

ND + p = n ; n >>>>> p; ND n

Iones de impureza dadora

INMÓVIL

Electrón liberado por dador MÓVIL

Electrón térmico MÓVIL

Hueco térmico MÓVIL

Pro

pie

da

de

s d

el g

erm

an

io y

el

silic

io

11/11/2014

Ge Si

Número atómico 32 14

Masa atómica (g/mol) 72,6 28,08

Radio atómico (nm) 0,137 0,132

Estructura electrónica [Ar]4s23d104p2 [Ne]3s23p2

Densidad kg/m3 5323 2330

Temperatura de fusión 937,4 ºC 1410 ºC

Calor específico J/kg·ºC 309 677

Concentración atómica at/m3 4,42·1028 4,96·1028

Concentración intrínseca (300 K) 2,36·1019 m-3 1,5·1016 m-3

Constante A m-3·K-3/2 1,91·1021 4,92·1021

Anchura banda prohibida (300 K) 0,67 eV 1,1 eV

Movilidad electrones (300 K) 0,39 m2/Vs 0,135 m2/Vs

Movilidad huecos (300 K) 0,182 m2/Vs 0,05 m2/Vs

Resistividad intrínseca (300 K) 0,47 m 2300 m

Difusividad electrones 10,1·10-3 m2/s 3,5·10-3 m2/s

Difusividad huecos 4,9·10-3 m2/s 1,3·10-3 m2/s

Permitividad eléctrica 15,7 12

Masa efectiva electrones 0,5 m0 1,1 m0

Masa efectiva huecos 0,37 m0 0,59 m0

Conductividad de semiconductores

11/11/2014

0

5

10

15

20

25

30

250 270 290 310 330 350 370

T (K)

Co

nd

uctivid

ad

(S

/m)

Ge

Semiconductor extrínseco

0

1

2

0 100 200 300 400 500T (K)

Co

nductivid

ad (

S/m

)

Si puro

ND=5∙1019

m-3

ND=1020

m-3

A poca temperatura,

las impurezas se ionizan

rápidamente.Los portadores procedentes de las

impurezas, ya ionizadas, no

aumentan sensiblemente.

A temperaturas altas, la

conducción intrínseca se

hace significativa.

Corrientes de desplazamiento

J = Jp + Jn = qe(nn + pp)E = sE

s = qe(nn + pp)

11/11/2014

Enq)E)(q(nvnqJ nenenn

rrrr EpqvpqJ pepp

rrr

vn = -nEr r

Jn

rJp

r

vp = pErr

rEext

Corrientes de desplazamiento en SC

Intrínsecos

11/11/2014

p = n = ni

s = qe(nn + pp)

s = qeni(n + p)

pp >> n

s qpp

n >> p

s qnn

n

Extrínsecos

Co

rrie

nte

s d

e d

ifu

sió

n

Ley de Fick

Dn Difusividad de electrones (Dn Si = 3,5·10-3 m2/s)

Dp Difusividad de huecos (Dp Si = 1,31·10-3 m2/s)

11/11/2014

n = 0

rJdif = -qDn

Relación de Einstein: T

p

p

n

n Vq

kTDD

k (Constante de Boltzmann) = 1,38·10-23 JK-1 VT(300 K) = 25,85 mV

dx

ndn

r

Ley de OhmrJ = -sV

Corrientes de difusión (continuación)

11/11/2014

Jn

N

nr

rJn = qeDnn

P

Jp

p

rJp = -qeDpp

r

Variación de potencial en un

semiconductor con dopado no

uniforme

11/11/2014

p = p(x)

x2x1

0 x en circuito abierto Jdif + Jdesp = 0

p(x2)p(x1)

0Eqpdx

pdqD pp

rr

Relación de Einstein: pTpp Vq

kTD

rE

Variación de potencial en un

semiconductor con dopado no

uniforme (continuación)

11/11/2014

dVEdxp

dpVT VT(300 K) = 25.85 mV

p 2

1T12

p

plnV V- V T

12

V

VV

21 epp

n 2

1T12

n

nlnV V- V T

12

V

VV

21 enn

Ejemplo: p1 = 1016 huecos/m3; p2 = 1022 huecos/m3

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