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MATERIALES ELECTRICOS TRABAJO PRCTICO N 4 MATERIALES SEMICONDUCTORES 1- Qu quiere decir que un slido es policristalino? Qu es un monocristal? 2- Cul es la diferencia entre un slido cristalino y uno amorfo? 3- Cul es la diferencia entre un conductor y un semiconductor a cero grado Kelvin (0 K)? 4- Explicar porqu un semiconductor acta como un aislante a 0 K y porqu su conductividad aumenta con la

temperatura. 5- Para un semiconductor de Silicio Intrnseco, calcular a las siguientes temperaturas T = -50C, 0C, 50C,

100C, 150C y 200C: a) la densidad de electrones y huecos (Concentracin Intrnseca), b) Movilidades de huecos y electrones, c) la resistividad del Silicio intrnseco. Recomendamos que use una planilla Excel. Graficar

6- Para un semiconductor de Silicio Intrnseco a)Cunto vale la relacin entre las conductibilidades de electrones y huecos? b) Qu campo elctrico debera aplicar para que circulara 1 mA/cm

2? d)A partir de

qu densidad de corriente, en Silicio Intrnseco, la velocidad de deriva no aumenta ms (satura)? (de Millman y Halkias prrafo 2-5)

7- Calcule para qu temperaturas (en K) ni (concentracin intrnseca) adopta los siguientes valores: 1E14 cm

-3 1E15 cm

-3 1E16 cm

-3

1E17 cm-3

1E18 cm-3

1E19 cm-3

Nota: por el tipo de funciones, recomendamos que haga iteraciones con la planilla Excel. 8- Calcular el nivel de Fermi (EF) para el Silicio intrnseco. 9- Que error cometo si considero que en el Silicio intrnseco el nivel de Fermi se encuentra en la mitad de la

banda prohibida. 10- En un alambre de Cobre de 1 mm

2 de seccin, para aproximadamente J = 100 A/cm

2 el material se funde.

El campo necesario para fusin es del orden de 20 mV/cm. Por qu el silicio soporta campos muchos mayores sin fundirse?

11- Para un semiconductor de Silicio Extrnseco: Calcular la resistividad si se contamina con impurezas donadoras a)ND = 1E14

cm

-3, ND = 1E15

cm

-3, ... hasta ND = 1E19

cm

-3 Todo a 300K

CARACTERSTICAS DEL SILICIO EN FUNCIN DE LAS CONTAMINACIONES, A 300 K

NA ND cm-3

1E14 1E15 1E16 1E17 3E17 1E18 3E18 1E19

Mayoritarios 1E14 1E15 1E16 1E17 3E17 1E18 3E18 1E19

Minoritarios 1E6 1E5 1E4 1E3 333 100 33 10

n cm2/V*seg 1358 1345 1248 801 521 270 158 115

p cm2/V*seg 461 458 437 331 242 148 93 68

12- Calcular la resistividad del Si Extrnseco contaminado con impurezas aceptoras con a) NA = 1E14

cm-3,

NA = 1E15 cm

-3,... hasta NA = 1E19 cm

-3.

13- Corregir por temperatura entre -50C y 200C las expresiones anteriores. 14- Usando los resultados de los problemas anteriores, hacer un grafico de resistividad del Si extrnseco en

funcin de la temperatura destacando: a) la temperatura a la cual se ionizan las impurezas extrnsecas b) la zona de funcionamiento extrnseca o metlica y c) la temperatura intrnseca.

Gua de estudio

Semiconductores Intrnsecos 15- Cual es el origen de las bandas en un slido? 16- Cual es la diferencia en la estructura de bandas de un: aislador, semiconductor, metal? Dibujar diagrama

y dar ordenes de magnitud de EG. 17- Explicar que se entiende por funcin de distribucin de Fermi-Dirac 18- Definir el nivel de Fermi. 19- Para que tipo partculas se aplica la funcin de probabilidad de Fermi Dirac. 20- Cual es la diferencia entre un metal y un semiconductor intrnseco desde el punto de vista de la ubicacin

del nivel de Fermi, bandas de energa, densidad de portadores y conductividad? 21- Explicar conceptualmente que es un semiconductor intrnseco. 22- Explicar conceptualmente que es un hueco en un semiconductor. Utilizar el modelo de bandas de energa y

el modelo corpuscular. 23- De que manera vara la densidad de estados permitidos N(E) con E para los electrones en un

semiconductor? Compare con un metal. 24- Como calcula la densidad de portadores en un semiconductor. Explique. 25- Explicar el significado de ni y su dependencia con T.

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Semiconductores Extrnsecos 26- Explicar conceptualmente que es un semiconductor extrnseco. Aclarar que son Impurezas donadoras y

aceptoras. Cules son las ms utilizadas? Explicar quienes son los portadores mayoritarios y los portadores minoritarios.

27- Cmo vara la concentracin de mayoritarios y minoritarios en un semiconductor extrnseco cuando aumenta la concentracin de impurezas? por qu?

28- Cmo vara la concentracin de mayoritarios y minoritarios en un semiconductor extrnseco cuando aumenta la temperatura? por qu?

29- Cmo varia la concentracin de electrones en un conductor, cuando aumenta la temperatura? por qu? 30- Cmo vara el tiempo medio entre choques con el aumento de la temperatura en un semiconductor?

por qu? 31- Cmo vara el tiempo medio entre choques con el aumento de la contaminacin de impurezas en un

semiconductor? por qu? 32- Cmo vara la movilidad con el aumento del campo elctrico? por qu? Hacer un grafico 33- Cmo vara la movilidad con la temperatura? por qu? Hacer un grafico con los valores de la tabla 34- Cmo justifica la gran diferencia de conductibilidad entre el Cobre y el Silicio intrnseco? 35- En los semiconductores tenemos dos fenmenos de generacin de portadores: generacin intrnseca y

generacin extrnseca. Cules son las diferencias entre ambos? Qu genera cada uno? Cul mecanismo predomina y por qu?

36- De la interaccin entre generacin intrnseca, extrnseca y recombinacin, se llega a concentraciones de mayoritarios y minoritarios en equilibrio trmico. Cuando se producen aumentos de temperatura a partir de la temperatura de equilibrio: qu concentracin de portadores aumenta ms rpido, la de mayoritarios o la de minoritarios? Por qu?

37- Cul es la diferencia entre un semiconductor intrnseco y un extrnseco desde el punto de vista de la ubicacin del nivel de Fermi?

38- Cmo es el grado de ocupacin del diagrama de bandas a cero grado Kelvin en conductores, aisladores y semiconductores? Por qu?

39- Para qu temperatura un semiconductor extrnseco se comporta como intrnseco? por qu? 40- Hacer un grafico de variacin de la resistividad de un semiconductor extrnseco con la temperatura. Mostrar

la ionizacin de las impurezas y la temperatura intrnseca. 41- Si aumento la contaminacin de un semiconductor, la temperatura a la que se comienza a comportar

como intrnseco aumenta o disminuye? por qu? 42- Qu concentracin de portadores crece ms rpido cuando aumenta la temperatura: mayoritarios o

minoritarios? por qu? 43- Qu relacin existe entre el Calor de Joule (P = R*I

2) y el modelo de conduccin por movilidad? por

qu? 44- Distintos materiales, (Cu y Si) mostrarn diferentes movilidades ante el mismo campo elctrico aplicado?

por qu? 45- En qu casos se manifiesta la saturacin de velocidad de deriva por influencia del campo elctrico? por

qu? 46- Por qu midiendo la corriente con un ampermetro, no puedo distinguir si est producida por electrones o

por huecos? qu mtodo de medicin debera usar para detectar la diferencia de portador?