CursoFísica Electrónica

Tema: LOS SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Y LOS SEMICONDUCTORES DOPADOS

Estudiante: Silvio C. Condori M.

INDICE

1. Semiconductor

2. Cristal semiconductor intrínseco

3. Modelo de bandas de energía: Conducción intrínseca

4. Modelo de bandas de energía: Conducción intrínseca

5. Modelo de bandas de energía: Conducción intrínseca

6. Dopaje (semiconductores)

7. Tipos de materiales dopantes

SEMICONDUCTORSemiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta.

Elemento Grupos Electrones enla última capa

Cd 12 2 e-

Al, Ga, B, In 13 3 e-

Si, C, Ge 14 4 e-

P, As, Sb 15 5 e-

Se, Te, (S) 16 6 e-

Cristal Semiconductor intrínseco:

A simple vista es imposible que un semiconductor permita el movimiento de electrones a través de sus bandas de energía

Idealmente, a T=0ºK, el semiconductor es un aislante porque todos los e- están formando enlaces.

Pero al crecer la temperatura, algún enlace covalente se puede romper y quedar libre un e- para moverse en la estructura cristalina.

El hecho de liberarse un e- deja un “hueco” (partícula ficticia positiva) en la estructura cristalina. De esta forma, dentro del semiconductor encontramos el electrón libre (e-), pero también hay un segundo tipo de portador: el hueco (h+)

Representación bidimensional de la estructura cristalina

del Si

Modelo de bandas de energía: Conducción intrínseca

     n =·p = ni

 

   

n: nº electrones/m3

p: nº electrones/m3

ni: densidad intrínseca de portadores

Modelo de bandas de energía: Conducción intrínseca

En un semiconductor perfecto, las concentraciones de electrones y de huecos son iguales:

n: número de electrones (por unidad de volumen) en la banda de conducciónp: número de huecos (por unidad de volumen) en la banda de valenciani: concentración intrínseca de portadores FFI-UPV.es

Modelo de bandas de energía: Conducción intrínseca

Estructura de un metal

Estructura de un semiconductor

Modelo de bandas de energía: Conducción intrínsecaDependencia con la Temperatura: Gráfico ni = f(T)

Semiconductor Intrínseco:

Intrínseco indica un material semiconductor extremadamente puro è contiene una cantidad insignificante de átomos de impurezas. En él se cumple:

    n =·p = ni

 

   Semiconductor Extrínseco:

En la práctica nos interesa controlar la concentración de portadores en un semiconductor (n o p).

De este modo se pueden modificar las propiedades eléctricas: conductividad

Para ello se procede al proceso de DOPADO:

• Un pequeño porcentaje de átomos del SC intrínseco se sustituye por átomos de otro elemento (impurezas o dopantes).

• Estas impurezas sustituyen a los átomos de Silicio en el cristal formando enlaces. 

• De este modo podemosFavorecer la aparición de electrones (Semiconductores Tipo N: donde n > p)

¨ Favorecer la aparición de huecos (Semiconductores Tipo P: donde p>n).

Caso particular del Silicio

Material extrínseco Tipo n:

Se ha dopado con elementos pentavalentes (As, P o Sb) que tienen 5 electrones en la última capa: IMPUREZA DONADORA.

Al formarse la estructura cristalina, el quinto electrón no estará ligado en ningún enlace covalente.

• Con muy poca energía (sólo la térmica, 300 K) el 5º electrón se separa del átomo y pasa la banda de conducción.

• La impureza fija en el espacio quedará IONIZADA (cargada positivamente)

En un semiconductor tipo n, los dopantes contribuyen a la existencia “extra de electrones”, lo cuál aumenta “enormemente” la conductividad debida a electrones .

     n >>·p 

   

Dopaje (semiconductores)

En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido comointrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar. A los semiconductores con dopajes ligeros y moderados se los conoce como extrínsecos. Un semiconductor altamente dopado, que actúa más como un conductor que como un semiconductor, es llamado degenerado.El número de átomos dopantes necesitados para crear una diferencia en las capacidades conductoras de un semiconductor es muy pequeña. Cuando se agregan un pequeño número de átomos dopantes (en el orden de 1 cada 100.000.000 de átomos) entonces se dice que el dopaje es bajo o ligero. Cuando se agregan muchos más átomos (en el orden de 1 cada 10.000 átomos) entonces se dice que el dopaje es alto o pesado. Este dopaje pesado se representa con la nomenclatura N+ para material de tipo N, o P+ para material de tipo P.

Tipos de materiales dopantesTipo N

e llama material tipo N al que posee átomos de impurezas que permiten la aparición de electrones sin huecos asociados a los mismos. Los átomos de este tipo se llamandonantes ya que "donan" o entregan electrones. Suelen ser de valencia cinco, como el Arsénico y el Fósforo. De esta forma, no se ha desbalanceado la neutralidad eléctrica, ya que el átomo introducido al semiconductor es neutro, pero posee un electrón no ligado, a diferencia de los átomos que conforman la estructura original, por lo que la energía necesaria para separarlo del átomo será menor que la necesitada para romper una ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor original). Finalmente, existirán más electrones que huecos, por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los últimos los minoritarios. La cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje N). En el caso del Fósforo, se dona un electrón.

Tipo PSe llama así al material que tiene átomos de impurezas que permiten la formación de huecos sin que aparezcan electrones asociados a los mismos, como ocurre al romperse una ligadura. Los átomos de este tipo se llaman aceptores, ya que "aceptan" o toman un electrón. Suelen ser de valencia tres, como el Aluminio, el Indio o el Galio. Nuevamente, el átomo introducido es neutro, por lo que no modificará la neutralidad eléctrica del cristal, pero debido a que solo tiene tres electrones en su última capa de valencia, aparecerá una ligadura rota, que tenderá a tomar electrones de los átomos próximos, generando finalmente más huecos que electrones, por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los segundos los minoritarios. Al igual que en el material tipo N, la cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Boro (P dopaje). En el caso del boro le falta un electrón y, por tanto, es donado un hueco de electrón.

BIBLIOGRAFÍAS

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

Documentos recomendados por el docente