Profesor :Ing. Juan F. Tisza Contreras

Programa de búsqueda para sustituir los conmutadores electromecánicos con otros Programa de búsqueda para sustituir los conmutadores electromecánicos con otros basados en semiconductores.basados en semiconductores.

1936 Bell T. Laboratories1936 Bell T. Laboratories

Propone una teoría de bandas del sólido y el concepto de impurezas donadoras y Propone una teoría de bandas del sólido y el concepto de impurezas donadoras y aceptoras.aceptoras.1931 A. Wilson1931 A. Wilson

Concepto de hueco como quasi-partícula de carga positivaConcepto de hueco como quasi-partícula de carga positiva1931 W. Heisenberg1931 W. Heisenberg

Postula que la resistividad de los semiconductores depende de TPostula que la resistividad de los semiconductores depende de T1903 J. Koenigsberg1903 J. Koenigsberg

Descubre que la corriente eléctrica en los metales es debida al movimiento de los Descubre que la corriente eléctrica en los metales es debida al movimiento de los electroneselectrones1901 V. E. Riecke1901 V. E. Riecke

Descubrimiento del electrónDescubrimiento del electrón1897 J.J. Thomson 1897 J.J. Thomson

Primer diodo de vacío Primer diodo de vacío 1874 F. Braun1874 F. Braun

Descubre que la conductividad de algunos materiales aumenta con TDescubre que la conductividad de algunos materiales aumenta con T1833 M. Faraday1833 M. Faraday

Introduce la palabra “semiconductor”Introduce la palabra “semiconductor”1782 A. Volta1782 A. Volta

Primer fotodiodo basado en la unión p/n de silicio Primer fotodiodo basado en la unión p/n de silicio 19401940

Shockley: dispositivo amplificador basado en semiconductores Shockley: dispositivo amplificador basado en semiconductores 19391939

Primera radio de transistorPrimera radio de transistor1948 1948

Invención del transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley )Invención del transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley )1947 1947

Western Electric: primer transistor comercial (amplificador para auriculares para Western Electric: primer transistor comercial (amplificador para auriculares para sordos)sordos)1951 1951

Agosto 2010

2

Juan F. Tisza C.

1956 1956

1956 1956

1956 1956

1956 1956

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

Agosto 20103

Juan F. Tisza C.

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

Agosto 2010 Más

4

Juan F. Tisza C.

Influencia de la temperatura en la resistencia

Agosto 2010

108 (m)-1

Cu

T

Efecto HallFotoresistencia

T

106 (m)-1

Ge

6

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

VH

Jva

F

B

-VH

JvaF

B

En semiconductores: silicio dopado con galio

En conductores

7

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

luz

Frecuencia radiaciónEnergía de los fotones

Foto

cond

uctiv

idad

del

Ge

A

8

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

++ + + + +

+

+ + + +

+

+

+ + +

+ + + + +

+

+ + + +

+

+

+ + +

+ + + +

+

+ + + +

+

+

+ + +

1029 e- libres/m3

9

Juan F. Tisza C.

Agosto 201010

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

T = 0 K

A 300 K: 1e– cada 109 átomos, 1019 e–/m3

T 0 K

E

GeConcentración de e-: (n)

Concentración de h : (p)

n = p

12

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

e– poco ligado (0.03 -0.1 eV)

e– ocupa el hueco (0.04 -0.12 eV)

Ga

Átomo donador P,As,Sb: (ND)

As

tipo N E

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

13

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

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)

14

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

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)

15

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

Estados o niveles de energía permitidos

EN

ER

GÍA

DE

L e-

+p

Hidrógeno

+6

6Carbono: 1s2 2s2 2p2

aislante

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

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

semiconductoressemiconductores

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

conductor

16

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

X3 X2 X1

G raf i t o Á tomos aisladosD iaman te

2s²

2p²

Niveles vacíos

N iveles ocupados

d

E

BAND APRO H IBID A

BAN DAD E

C O ND U CC IÓ N

BAND AD E

VALENC IA

17

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

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

18

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

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

19

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

0.01 eV

T > 0 K

Nivel donante

T = 0 K

E

Ión de impureza donante

20

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

Nivel aceptor

E

0,01 eV

T = 0 K T > 0 K Ión de impureza aceptora

Huecos en la BV

21

Juan F. Tisza C.

ni(Ge, 300 K) = 2,4·1019 port./m3

ni(Si, 300 K) = 1,5·1016 port./m3

Agosto 2010

n·p = ni2

kT2E

23

i

g

eAT)t(fn

n: número de electrones por unidad de volumenp: número de huecos por unidad de volumenni: concentración intrínseca

22

Juan F. Tisza C.

NA + n = ND + p

Intrínseco NA = ND = 0 p = n =

ni

Tipo n NA = 0; n ND

Tipo p ND = 0; p NA

Agosto 2010

D

2i

Nnp

A

2i

Nnn

24

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

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

P N

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

25

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

Ge SiNúmero atómico 32 14Masa atómica (g/mol) 72,6 28,08Radio atómico (nm) 0,137 0,132Estructura electrónica [Ar]4s23d104p2 [Ne]3s23p2

Densidad kg/m3 5323 2330Temperatura de fusión 937,4 ºC 1410 ºCCalor específico J/kg·ºC 309 677Concentración 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 eVMovilidad electrones (300 K) 0,39 m2/Vs 0,135 m2/VsMovilidad huecos (300 K) 0,182 m2/Vs 0,05 m2/VsResistividad intrínseca (300 K) 0,47 m 2300 mDifusividad electrones 10,1·10-3 m2/s 3,5·10-3 m2/sDifusividad huecos 4,9·10-3 m2/s 1,3·10-3 m2/sPermitividad eléctrica 15,7 12Masa efectiva electrones 0,5 m0 1,1 m0

Masa efectiva huecos 0,37 m0 0,59 m0

26

Agosto 2010

0

5

10

15

20

25

30

250 270 290 310 330 350 370T (K)

Con

duct

ivid

ad (S

/m)

Ge

Semiconductor extrínseco

0

1

2

0 100 200 300 400 500T (K)

Con

duct

ivid

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.

27

Juan F. Tisza C.

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

Agosto 2010

Enq)E)(q(nvnqJ nenenn

EpqvpqJ pepp

vn = -nE

Jn

Jp

vp = pE

Eext

28

Juan F. Tisza C.

Intrínsecos

Agosto 2010

p = n = ni

= qe(nn + pp)

= qeni(n + p)p

p >> n qpp

n >> p qnn

n

Extrínsecos

29

Juan F. Tisza C.

Ley de FickDn Difusividad de electrones (Dn Si = 3,5·10-3 m2/s)Dp Difusividad de huecos (Dp Si = 1,31·10-3 m2/s)

Agosto 2010

n = 0

Jdif = -qDn

Relación de Einstein: Tp

p

n

n Vq

kTDD

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

dxndn

Ley de OhmJ = -V

30

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

Jn

N

n

Jn = qeDnn

P

Jp

p

Jp = -qeDpp

31

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

p = p(x)

x2x1

0 x en circuito abierto Jdif + Jdesp = 0

p(x2)p(x1)

0EqpdxpdqD pp

Relación de Einstein: pTpp Vq

kTD sigue

E

32

Juan F. Tisza C.

Agosto 2010

dVEdxpdpVT VT(300 K) = 25.85 mV

p 2

1T12 p

plnV V- V T

12

VVV

21 epp

n 2

1T12 n

nlnV V- V T

12

VVV

21 enn

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

Tema siguiente33

Juan F. Tisza C.