SEMICONDUCTORES PREGUNTAS

Transcripción

1 SEMICONDUCTORES PREGUNTAS 1. Por qué los metales conducen mejor que los semiconductores 2. Por qué la conducción de la corriente eléctrica en los metales y los semiconductores tienen distinto comportamiento cuando la temperatura aumenta. 3. Por qué cambia la conductividad de un semiconductor cuando se le irradia. Qué condiciones debe cumplirse. 4. Cómo se halla el ancho de la banda prohibida de un semiconductor 5. Qué es un semiconductor tipo n y uno tipo p y porque al unirlos aparece un campo eléctrico en la frontera. Cual de los dos lados esta a un potencial mayor. 6. Responda el problema 3b pero esta vez aplicado a un semiconductor. 7. Qué ventaja ofrece el SC extrínseco con respecto al intrínseco. Grafique en un solo cuadro, ln(n) vs T para un SC intrínseco y para un SC tipo np 8. Ex. Sustitutorio i) Por qué en la frontera de una unión n-p existe un campo eléctrico. ii) Con una unión n-p construya un circuito en polarización directa y otra en polarización inversa. iii) Explique por qué la corriente en los 2 circuitos de ii) son distintos. iv) Grafique I vs.v para ambas conexiones en una sola figura. 9. Qué ventajas ofrece un semiconductor dopado con respecto a un intrínseco. a) Por qué a altas temperaturas los semiconductores dopados se comportan como intrínsecos. b) Qué tipo de semiconductor se obtiene cuando en una muestra de germanio se reemplazan parte de sus átomos con átomos de galio. Y con átomos de As? c) El Si ( Eg = 1,1 ev ) y el Ge ( Eg = 0,67 ev ) forman parte por separado de circuitos de corriente contínua. Se incide sobre cada uno de ellos fotones con cierta frecuenciaν. d) Se observa que la corriente en uno de los circuitos aumenta pero en el otro no. En cuál de los circuitos aumenta y qué valores puede tener ν para que esto ocurra. Rptas: b.- Tipo p; tipo n c.- En el de Ge. 1,62x10 14 Hz ν 2,76x10 14 Hz 10. Dibuje las bandas de energía de un metal, un semiconductor intrínseco, un semiconductor tipo n y un semiconductor tipo p. 11. Qué tipos de semiconductores se obtienen cuando en una muestra de Ge se reemplazan una parte de sus átomos por átomos de Al en un caso, y en otro por átomos de As. 12. El Si (E g = 1,14eV) y el Ge (E g = 0,67eV) forman parte por separado de un circuito CC. Se irradia ambos con fotones de frecuencia. Se observa que la corriente en uno de los circuitos aumenta pero en el otro no. Diga en cuál de ellos aumenta y qué valores puede tener? 13. Cómo funciona una celda fotovoltaica? 14. Cual es el significado físico de la afirmación que la energía Fermi del potasio es 2,1 ev 1

2 PROBLEMAS 1. La concentración de electrones en la banda de conducción del germanio puro a la temperatura de 300K es 2,5x10 19 /m 3. La movilidad de los electrones es 0,38 m 2 /V.s y de las vacancias 0,18 m 2 /V.s. Considere E g =0,67eV. Calcule la resistividad del Ge a dicha temperatura. Rpta: 0,45Ω.m 2. La conductividad eléctrica del germanio a temperatura ambiente 25 C (298K) tiene el valor 2,2(Ω-m) -1. Calcule su conductividad a 150 C. Considere E g =0,67eV. Rpta: 103,8(Ω-m) Considere germanio intrínseco a la temperatura de 300 K, para el cual el ancho de la Banda prohibida es de 0.67 ev. En qué porcentaje aumenta la conductividad si la temperatura aumenta en 1 ºC? Rpta: 5.5 % 4. Una muestra de Si contiene 10-4 por ciento de átomos de fósforo (donadores), que son ionizados a la temperatura ambiente (300K). El ancho de la banda prohibida es de 1.1 ev y la movilidad de los electrones es de 1500 cm 2 /V.s. Calcular la resistividad de la muestra. Concentración de átomos de Si = 4.94 x átomos/cm 3, n i = 9.7 x 10 8 cm -3. Rpta: ρ = Ω.cm 5. Un bloque cúbico de germanio de 0.5 cm de lado contiene una concentración de 10-5 átomos de arsénico (pentavalente). Cuando se aplica una diferencia de potencial de 5 mv a través de caras opuestas de la muestra, se mide una corriente de A. De estos datos, calcular la movilidad de los electrones libres del Ge. Rpta: 3600 cm 2 /V.s. 6. Ex. Final a) Explique como se origina la banda de conducción en un metal. b) Si g (E) es la densidad de estados electrónicos en un metal, explique el significado de la expresión g(e) de. c) A que se llama energía de Fermi en un metal? d) Explique como varia la resistividad de un semiconductor intrínseco con la temperatura. e) Explique cómo se fabrican los semiconductores extrínsecos tipo-p. 7. Ex. Final Para el silicio se tienen los siguientes datos a 300 K: E e = 1,14 ev, µ e = 1350 cm 2 /V.s, µ h = 480 cm 2 /V.s, n i = 1,5 x cm -3, m * e = 1,08 m o, m * h = 0,56 m o. Halle: a) La conductividad intrínseca a 300 K y a 350 K. b) La conductividad del Si extrínseco a 300K, si se le dopa con átomos de fósforo, de tal modo que la concentración de electrones aumenta en 20 %. Considere que todas las impurezas están ionizadas. Rptas: a) 4,4 x 10-6 (Ω-cm) -1 ; b) 4,8 x 10-6 (Ω-cm) -1 2

3 8. Ex. Final a) Se tiene un alambre metálico de 5 cm de longitud y 0,5 mm de diámetro, al cual se le mide su resistencia a dos temperaturas diferentes: a 30 ºC su resistencia es de 10.3 Ω, y a 50 ºC es de 10,9Ω. Calcule el coeficiente térmico de la resistencia y la conductividad del metal a 30 ºC. b) Se utilizo en el laboratorio un circuito serie de c.a. para observar la rectificación de la corriente. La fuente de fem proporciona un voltaje v = 7 sen(120π t), en serie con una resistencia R = 10 Ω y un diodo de unión p-n. Se observó una corriente de 0,5 A de amplitud. Realice los gráfico de v vs t para la resistencia y el diodo. Realice también el gráfico de i vs t Rptas: a) 2,91 x 10-3 ºC -1, 2,47 x 10 4 (Ω.m) Ex. Final a) Se ha medido la resistencia de un material a diversas temperaturas : T (ºC) , ,5 R (Ω) Calcule el ancho de la banda prohibida y diga si es un aislante o un semiconductor. b) Qué es un semiconductor tipo-n y qué es un SC tipo-p? Dibuje sus respectivos diagramas de bandas. Rpta.: a) 0,47 ev 10. Ex. Final Ex. Sustitutorio Una unión n-p se conecta en serie con una resistencia R y una fem ε. a) Dibuje las 2 posibilidades que pueden presentarse y explique usando teoría de bandas a que se debe el distinto comportamiento de ellos. b) Si el voltaje a través de una unión n-p es de 40 mv y después es 80 mv, determine si la corriente eléctrica aumenta o disminuye, y cuantas veces, si la temperatura de operación es de 27 ºC y la polarización es directa. Rpta.: Aumenta 5,95 veces. 11. Ex. Final En el circuito mostrado, el amperímetro registra una corriente i o. Al irradiarse el Si (E g = 1,14 ev) con fotones de frecuencia 2 x Hz, la corriente es i 1. Al irradiarse con fotones de 4 x Hz, la corriente es i 2, pero si estos fotones atraviesan una placa de vidrio antes de llegar al Si, la corriente es i 3. Compare i o con i 1 ; i 1 con i 2 ; i 2 con i 3 y explique sus respuestas usando teoría de bandas. Rpta.: i 0 = i 1 < i 2 > i Ex. Sust a) Use teoría de bandas para explicar el funcionamiento de una celda fotovoltaica. las ventajas de un semiconductor dopado con respecto a un intrínseco. b) El Si a la temperatura del medio ambiente (27ºC) tiene 1,1 x electrones/m 3 en su banda de conducción. Cuántos electrones habrán a 450 K? (Eg = 1,14 ev). Calcule asimismo la concentración de vacancias en la banda de valencia. 3

4 Rpta. b) 4,7x Ex. Sust a) En el laboratorio se utilizo un voltaje de 80 mv a través de una unión n-p en polarización directa y la corriente obtenida fue de 21 ma. Cuanto será la corriente si se invierte la polarización? (T = 27ºC) b) En realidad el circuito consistía de una batería (fem ε) en serie con una resistencia de 10 ohm y la union n-p. Halle la fem. c) A qué se llama rectificación de corriente? Explique la rectificación de media onda. Rpta.: a) 9,5x10-4 A b) 0,29 V 14. Ex. Final a) A qué se llama semiconductor (SC) tipo n y a qué SC tipo p. Dibuje las bandas de energía para cada una de ellos. b) La energía de Fermi para el oro es 7 ev. A qué se llaman electrones libres en el oro y qué energías tienen a temperaturas muy bajas Qué energías tiene a la temperatura del medio ambiente? c) Cómo se halla en el laboratorio el ancho de la banda prohibida? d) Ex. Final La resistencia del SC usado en el laboratorio ( E g =0,5 ev ) fue 40 Ω a la temperatura de 25º C. A qué temperatura la resistencia se duplica? Rpta: d) 278,17 K (5,17 ºC) 15. Ex. Final a) Una pieza de Ge ( E g = 0,67 ev ) forma parte de un circuito de CC. La corriente es i o. Qué sucede con el valor de la corriente cuando se le irradia con fotones de frecuencia ν? Explique usando teorías de bandas y también describiendo lo que ocurre en el interior del SC. b) En la frontera de una unión np hay un campo eléctrico y una diferencia de potencial. Diga a qué se debe. c) Cómo está constituido y como funciona una celda fotovoltaica. 16. Ex. Final a) Un generador de corriente alterna está conectado a una unión np. El voltaje proporcionado por el generador varía con el tiempo de la manera mostrada por la fig. Durante qué tiempos la conexión con la unión es en polarización directa y en qué tiempos es inversa. b) Grafique i vs t en el circuito para los mismos tiempos que figuran en el diagrama mostrado. c) En el laboratorio cuando el voltaje a través de la unión era 0,2 V, la corriente en el circuito señalaba 6 ma. Para qué valor del voltaje la corriente se duplicará? (Temp. del medio ambiente 25 º C ) Rpta: a) De 0 a 1seg, de 2 a 3seg,.c) 0,2178 V 4

5 17. Ex. Final a) Dibuje las bandas de energía para un metal, un aislante y para un semiconductor. b) A qué se llama ancho de la banda prohibida. Ponga en orden ascendente los valores de E g correspondientes al Si, diamante y Ge. c) Determine la posición de la energía de Fermi en un semiconductor intrínseco caracterizado por E g = 1,2 ev; m e = 0,5 m o ; m v = 0,5 m o. Rpt. c.- 0,6 ev 18. Ex. Final a) Qué es un semiconductor intrínseco, un tipo n y un tipo p. b) Dibuje las bandas de energía de c/u de los semiconductores mencionados en a. c) En una muestra de Si tipo n, a 300 K, la concentración de electrones n y de vacancias p están dadas por 8x10 20 / m 3 y 2,45x10 11 / m 3, respectivamente. Halle las dos concentraciones en una muestra intrínseca a la misma temperatura. Rpt. c.- 1,4x10 16 / m Ex Final a) Una unión n-p está conectada en polarización directa a una batería de fem ε a la temperatura de 27 o C. Si inicialmente la fem es 40 mv y luego se duplica, la corriente eléctrica aumenta o disminuye y en cuánto. b) Una muestra de Si ( E g = 1,14 ev ) está conectada a una batería y la corriente producida es I 1. Se le irradia con fotones de 2x10 14 Hz y después, con fotones de 4x10 14 Hz. Diga qué sucede con el valor de la corriente en ambos casos y explique su respuesta usando teoría de bandas. Rpt. a.- Aumenta 6,21 veces. b.- Con los primeros fotones no cambia. Con los segundos, sí aumenta. 20. Que probabilidad existe que a la temperatura de 25 haya electrones libres con energía de 2,12 ev. 21. En un informe del 6to Laboratorio se lee que el ancho de la banda prohibida del material trabajado es 0,5eV. a) Detalle como se obtiene ese valor b) La resistencia de dicho material a 25 C es 40ohm, cuanto es a 100 C 22. Una juntura np es conectada en polarización directa a una batería de 0,5v a la temperatura de 27 C y se obtiene una corriente de 4mA. Halle la corriente cuando la conexión es en polarización inversa. 23. Un generador de onda cuadrada es conectado a una unión np. Grafique corriente eléctrica i vs Tiempo t 5

6 24. a) Una fuente de corriente alterna esta conectada a una unión n-p dando origen a una corriente eléctrica I. Grafique I vs t (tiempo). b) La unión se conecta ahora en polarización directa a una batería de 40mV y luego a otro de 80 mv. La corriente eléctrica aumenta o disminuye y en cuanto si se esta trabajando a 27 C. 25. Cómo se calculó el ancho de la banda prohibida de un semiconductor, en el laboratorio? Ahora, si la conductividad eléctrica de un cierto semiconductor intrínseco (Eg = 0,5eV) a temperatura T = 25 C es 2,2 (Ω.m) -1, calcule la conductividad a 100 C. 26. Dibuje en forma clara las bandas de energía de un metal, un semiconductor intrínseco, un semiconductor tipo n y un semiconductor tipo p. 27. Diga alguna ventaja de un semiconductor dopado con respecto a un intrínseco. Y, qué tipo de semiconductor se obtiene cuando a una muestra de germanio se le incorpora impurezas de fósforo (P). 28. Una muestra de Si (Eg = 1,14eV) está conectada a una batería cuya fuerza electromotriz es ε y la corriente transportada es I 1. Al semiconductor se le irradia con fotones de 2x10 14 Hz y después con fotones de 4x10 14 Hz. Diga qué sucede con el valor de la corriente en ambos casos y explique su respuesta usando bandas de energía. 29. Para una polarización directa de 40mV a una temperatura de 27 C a través de una unión n-p se tiene una cierta corriente eléctrica. Si se duplica el voltaje dado, la corriente eléctrica aumenta o disminuye y en cuánto? 6