DISPOSITIVOS ELECTRONICOS

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1 SCULA D IN. LCTRONICA SCULA D IN. LCTRONICA Matrials smiconductors (I) Introducción a la lctrónica d Dispositivos Los Matrials smiconductors Smiconductors lmntals: rmanio () y Silicio (Si) Compustos IV: SiC y Si Compustos IIIV: Binarios: aas, ap, asb, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP y InSb Trnarios: aasp, AlaAs Cuatrnarios: InaAsP Compustos IIVI: ZnS, ZnS, ZnT, CdS, CdS y CdT Son matrials d conductividad intrmdia ntr la d los mtals y la d los aislants, qu s modifica n gran mdida por la tmpratura, la xcitación óptica y las impurzas. Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I SCULA D IN. LCTRONICA Matrials smiconductors (II) structura atómica dl Carbono (6 lctrons) s s p structura atómica dl Silicio (4 lctrons) s s p 6 s p SCULA D IN. LCTRONICA Matrials smiconductors (III) Carbono gasoso (6 lctrons) s, s, p 4 stados vacíos p s structura atómica dl rmanio ( lctrons) s s p 6 s p 6 d 0 4s 4p 4 lctrons n la última capa Banda d stados Distancia intratómica stados discrtos (átomos aislados) s Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I nrgía SCULA D IN. LCTRONICA Matrials smiconductors (IV) Rducción d la distancia intratómica dl Carbono nrgía SCULA D IN. LCTRONICA Diagramas d bandas (I) Diagrama d bandas dl Carbono: diamant 4 stados/átomo g =6V 4 lctrons/átomo Banda d Banda prohibida Banda d valncia Diamant: Cúbico, transparnt, duro y aislant Distancia intratómica rafito: Hxagonal, ngro, blando y conductor Si un lctrón d la banda d valncia alcanzara la nrgía ncsaria para saltar a la banda d, podría movrs al stado vacío d la banda d d otro átomo vcino, gnrando corrint léctrica. A tmpratura ambint casi ningún lctrón tin sta nrgía. s un aislant. Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I UNICA

2 SCULA D IN. LCTRONICA Diagramas d bandas (II) Diagrama d bandas dl Carbono: grafito SCULA D IN. LCTRONICA Diagramas d bandas (III) Diagrama d bandas dl nrgía 4 stados/átomo 4 lctrons/átomo Banda d Banda d valncia nrgía 4 stados/átomo g =0,67V 4 lctrons/átomo Banda d Banda prohibida Banda d valncia No hay banda prohibida. Los lctrons d la banda d valncia tinn la misma nrgía qu los stados vacíos d la banda d, por lo qu pudn movrs gnrando corrint léctrica. A tmpratura ambint s un bun conductor. Si un lctrón d la banda d valncia alcanza la nrgía ncsaria para saltar a la banda d, pud movrs al stado vacío d la banda d d otro átomo vcino, gnrando corrint léctrica. A tmpratura ambint algunos lctrons tinn sta nrgía. s un smiconductor. Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Banda d g Banda d valncia Aislant g =50V SCULA D IN. LCTRONICA Diagramas d bandas (IV) Banda d g Banda d valncia Smiconductor g =0,5V Banda d Banda d valncia Conductor No hay g A 0ºK, tanto los aislants como los smiconductors no conducn, ya qu ningún lctrón tin nrgía suficint para pasar d la banda d valncia a la d. A 00ºK, algunos lctrons d los smiconductors alcanzan st nivl. Al aumntar la tmpratura aumnta la n los smiconductors (al contrario qu n los mtals). SCULA D IN. LCTRONICA Rprsntación plana dl rmanio a 0º K No hay nlacs covalnts rotos. sto quival a qu los lctrons d la banda d valncia no pudn saltar a la banda d. Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I SCULA D IN. LCTRONICA Situación dl a 00ºK Hay nlac roto por cada,7 0 9 átomos. Un lctrón libr y una carga por cada nlac roto. important SCULA D IN. LCTRONICA Situación dl a 00º K (II) nración nración Rcombinación nración Rcombinación Simpr s stán rompindo (gnración) y rconstruyndo (rcombinación) nlacs. La vida mdia d un lctrón pud sr dl ordn d milisgundos o microsgundos. Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I UNICA

3 SCULA D IN. LCTRONICA Aplicación d un campo xtrno (I) l lctrón libr s muv por acción dl campo. Y la carga?. important SCULA D IN. LCTRONICA Aplicación d un campo xtrno (II) La carga s muv también. s un nuvo portador d carga, llamado huco. Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I SCULA D IN. LCTRONICA SCULA D IN. LCTRONICA Mcanismo d. Intrprtación n diagrama d bandas Átomo Átomo Campo léctrico Átomo Moviminto d cargas por un campo léctrico xtrior j p j n xist corrint léctrica dbida a los dos portadors d carga: j p =q p p s la dnsidad d corrint d hucos. j n =q n n s la dnsidad d corrint d lctrons. Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I SCULA D IN. LCTRONICA Moviminto d cargas por un campo léctrico xtrior j p =q p p j n =q n n q = carga dl lctrón p = movilidad d los hucos n = movilidad d los lctrons p = concntración d hucos n = concntración d lctrons = intnsidad dl campo léctrico (cm /V s) Si (cm /V s) As a (cm /V s) n p important SCULA D IN. LCTRONICA Smiconductors Intrínscos Todo lo comntado hasta ahora s rfir a los llamados Smiconductors Intrínscos, n los qu: No hay ninguna impurza n la rd cristalina. Hay igual númro d lctrons qu d hucos n = p = n i : n i = 0 portadors/cm Si: n i = 0 0 portadors/cm Asa: n i = 0 6 portadors/cm (a tmpratura ambint) Pudn modificars stos valors? Pud dsquilibrars l númro d lctrons y d hucos? La rspusta son los Smiconductors xtrínscos Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I UNICA

4 SCULA D IN. LCTRONICA Smiconductors xtrínscos Introducimos pquñas cantidads d impurzas dl grupo V Tin 5 lctrons n la última capa Sb 4 5 0ºK A 0ºK, habría un lctrón adicional ligado al átomo d Sb SCULA D IN. LCTRONICA Smiconductors xtrínscos Sb Sb ºK 0ºK A 00ºK, todos lctrons adicionals d los átomos d Sb stán dsligados d su átomo (pudn dsplazars y originar corrint léctrica). l Sb s un donador y n l hay más lctrons qu hucos. s un smiconductor tipo N. Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I nrgía SCULA D IN. LCTRONICA Smiconductors xtrínscos Intrprtación n diagrama d bandas d un smiconductor xtrínsco Tipo N 4 st./atm. 0 lctr./atm. Sb =0,09V 4 lctr./atm. 00ºK 0ºK g =0,67V l Sb gnra un stado prmitido n la banda prohibida, muy crca d la banda d. La nrgía ncsaria para alcanzar la banda d s consigu a la tmpratura ambint. SCULA D IN. LCTRONICA Smiconductors xtrínscos Introducimos pquñas cantidads d impurzas dl grupo III Tin lctrons n la última capa Al 0ºK A 0ºK, habría una falta d lctrón adicional ligado al átomo d Al Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I SCULA D IN. LCTRONICA Smiconductors xtrínscos Al 4 (xtra) A 00ºK, todas las faltas d lctrón d los átomos d Al stán cubirtas con un lctrón procdnt d un átomo d, n l qu s gnra un huco. l Al s un acptador y n l hay más hucos qu lctrons. s un smiconductor tipo P. 00ºK 0ºK nrgía SCULA D IN. LCTRONICA Smiconductors xtrínscos Intrprtación n diagrama d bandas d un smiconductor xtrínsco Tipo P 4 st./atom. Al =0,067V 4 lctr./atom. 0 hucos/atom. huco/atom. 0ºK 00ºK g =0,67V l Al gnra un stado prmitido n la banda prohibida, muy crca d la banda d valncia. La nrgía ncsaria para qu un lctrón alcanc st stado prmitido s consigu a la tmpratura ambint, gnrando un huco n la banda d valncia. Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I UNICA 4

5 SCULA D IN. LCTRONICA Smiconductors intrínscos: Igual númro d hucos y d lctrons Smiconductors xtrínscos: Tipo P: Más hucos (mayoritarios) qu lctrons (minoritarios) Impurzas dl grupo III (acptador) Todos los átomos d acptador ionizados. Tipo N: Rsumn Más lctrons (mayoritarios) qu hucos (minoritarios) Impurzas dl grupo V (donador) Todos los átomos d donador ionizados. important nrgía SCULA D IN. LCTRONICA Diagramas d bandas dl cristal Cristal d con m átomos 4 m stados 4 m lctrons 00ºK 0ºK Banda d Banda d valncia Cómo s la distribución d lctrons, hucos y stados n la ralidad? Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Banda prohibida g v () SCULA D IN. LCTRONICA Dnsidad d stados n las bandas d y valncia g c ()= dnsidad d stados n g c () los qu pud habr lctrons n la banda d d g=0,67v () g v ()= dnsidad d stados n los qu pud habr lctrons n la banda d valncia Significado: g v ( ) d = nº d stados con nrgía n los qu pud habr lctrons n la banda d valncia, por unidad d volumn. Lo mismo para la otra banda SCULA D IN. LCTRONICA Función d Frmi s la probabilidad d qu un stado d nrgía sté ocupado por un lctrón, n quilibrio 0,5 T=00ºK 0 0 F T=0ºK T=500ºK = ( F)/kT F =nivl d Frmi k=constant d Boltzmann T=tmpratura absoluta Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I Ing. Raúl Hinojosa Sánchz SCULA D IN. LCTRONICA Calculamos la concntración d lctrons n la banda d, n. stados vacíos compltamnt stados posibls n gnral: n = g c () d g v () g c () stados stados compltamnt posibls llnos d lctrons 0 0,5 F c A 0ºK: b. cond. =0, lugo n = 0 Dispositivos lctrónicos I SCULA D IN. LCTRONICA Smiconductor intrínsco a alta tmpratura (para qu s pudan vr los lctrons) stados n lctrons/vol. posibls n = g c () d g c () F hucos g v () stados lctrons posibls 0 0,5 c Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Dispositivos lctrónicos I UNICA 5

6 SCULA D IN. LCTRONICA SCULA D IN. LCTRONICA stados lctrons posibls Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Calculamos la concntración d hucos n la banda d valncia, p. g v () g c () stados Hucos posibls 0 0,5 p = g v () () d = n F l nivl d Frmi tin qu sr tal qu las áras qu rprsntan hucos y lctrons san idénticas (sm. intrínsco) Dispositivos lctrónicos I Concntración d lctrons y hucos n sm. intrínscos, xtrínscos tipo N y xtrínscos tipo P n p p Ing. Raúl Hinojosa Sánchz Sub Baja l l nivl nivl d d Frmi Frmi Smiconductor Smiconductor xtrínsco intrínsco xtrínsco tipo tipo P N Dispositivos lctrónicos I UNICA 6

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