Clase Física de semiconductores (I) Marzo de Índice de temas:

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María del Carmen Aranda Juárez
hace 6 años
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1 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase 2-1 Clase Física de semiconductores (I) Marzo de 2015 Índice de temas: 1. Modelo de enlace del Silicio: electrones y huecos 2. Generación y recombinación 3. Equilibrio térmico 4. Semiconductor intrínseco 5. Semiconductor extrínseco Lectura recomendada: Julián, Cap Muller-Kamins, Cap Esta clase es una traducción,realizada por los docentes del curso 86.03/ Dispositivos Semiconductores - de la FIUBA, de la correspondiente hecha por el prof. Jesús A. de Alamo para el curso Microelectronic Devices and Circuits del MIT. Cualquier error debe adjudicarse a la traducción.

2 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase 2-2 Preguntas clave Cómo conducen electricidad los semiconductores? Qué es un hueco? Cuántos electrones y huecos hay en un semiconductor en equilibrio térmico a una cierta temperatura? Cómo se puede manipular la conductividad de un semiconductor?

3 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase Modelo de enlace del Silicio: electrones y huecos El Si se ubica en la Columna IV de la tabla periódica: Estructura electronica del átomo de Si: 10 electrones interiores (fuertemente ligados) 4 electrones (débilmente ligados, responsables de la mayoría de las propiedades químicas Otros semiconductores: Ge, C (forma del diamante), SiGe GaAs, InP, InGaAs, InGaAsP, ZnSe, CdTe (en promedio, 4 electrones de valencia por átomo)

4 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase 2-4 Estructura cristalina del Silicio: El silicio es un material cristalino: ordenamiento atómico de largo rango Red del Diamante: los átomos forman un tetraedro, ligados por compartir un electron de valencia (enlace covalente) Cada átomo comparte 8 electrones: situación estable de baja energía Densidad atómica del Si: cm 3

5 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase 2-5 Modelo simple aplanado del cristal de Si: A 0K (cero absoluto): todas las ligaduras están ocupadas todos los electrones de valencia comprometidos en formar enlaces covalentes no hay electrones libres

6 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase 2-6 A temperatura > 0K: se rompen algunas ligaduras electrones libres (carga negativa en movimiento, C) huecos libres (carga positiva en movimiento, C) Los electrones y huecos libres se denominan portadores: particulas cargadas en movimiento Cuidado: el diagrama es incorrecto! los electrones y huecos en un semiconductor son difusos : abarcan varios radios atomicos.

7 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase 2-7 Algunas definiciones: en 86.03/66.25, electrón significa electrón libre no nos interesan los electrones internos ni los electrones de valencia (que los contabilizaremos con los huecos) se definen: n concentración de electrones [cm 3 ] p concentración de huecos [cm 3 ]

8 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase Generación y Recombinación Generación = ruptura de un enlace covalente que da lugar a un electrón y un hueco. requiere energía de una fuente térmica u óptica (u otra fuente externa). tasa de generación: G = G term +G opt +...[cm 3 s 1 ] en general, la densidad atomica es n, p G f(n, p) Es decir, las fuentes de enlaces a romper son virtualmente inagotables. Recombinación = formación de un enlace al unirse un electrón y un hueco libera energía de forma térmica u óptica tasa de recombinación: R [cm 3 s 1 ] un evento de recombinación requiere de 1 electron + 1 hueco R n p Los eventos de generación y recombinación son mas factibles en las superficies, donde se interrumpe la estructura.

9 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase Equilibrio térmico Diremos que existe Equilibrio térmico cuando se cumplen las siguientes condiciones: Hay estado estacionario (se ha extinguido cualquier transitorio en la Generación/Recombinación) Hay ausencia de fuentes de energía externa (sistema aislado) Tasa de generación en equilibrio térmico: G o = f(t ) Tasa de recombinación en equilibrio térmico: R o n o p o En equilibrio térmico: G o = R o n o p o = f(t ) n 2 i (T )

10 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase 2-10 n 2 i = Cte e E g kt Consecuencias importantes: Para un dado semiconductor en equilibrio térmico, el producto np es una constante que depende solo de la temperatura.

11 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase Semiconductor intrínseco Pregunta: Cuántos electrones y huecos hay en un semiconductor puro, perfectamente cristalino, en equilibrio térmico, a una cierta temperatura? Dado que la ruptura de un enlace da lugar a un electrón y un hueco: Ademas: Entonces: n o = p o n o p o = n 2 i n o = p o = n i n i concentración intrinseca de portadores [cm 3 ] En Si a 300 K ( temp. ambiente ): n i cm 3 n i es una función fuertemente dependiente de la temperatura: T n i

12 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase Dopaje: introducción de átomos externos para manipular las propiedades eléctricas del semiconductor A. Donores: introducen electrones en el semiconductor (pero no huecos) Para el Si, átomos del grupo V con 5 electrones de valencia (As, P, Sb)

13 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase electrones del átomo donor participan en los enlaces el quinto electrón queda débilmente ligado a temperatura ambiente, cada átomo donor libera un electrón que queda libre para participar de la conducción el sitio donor queda cargado positivamente (carga fija)

14 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase 2-14 Se define: N d concentración de donores [cm 3 ] Si N d n i, el dopaje es irrelevante (semiconductor intrínseco), esto implica que: n o = p o = n i Si N d n i, el dopaje controla la concentracion de portadores (semiconductor extrínseco), esto implica que: n o = N d p o = n2 i N d En el caso que n o p o, se dirá que el semiconductor es tipo n. Ejemplo numérico: N d = cm 3 n o = cm 3, p o = 10 3 cm 3.

15 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase 2-15 Típicamente: N d cm 3

16 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase 2-16 B. Aceptores: introducen huecos en el semiconductor (pero no electrones). Para Si, átomos del grupo III, con 3 electrones de valencia (B) 3 electrones se utilizan el la ligadura con los átomos vecinos de Si 1 sitio de ligadura queda vacante : favorable para aceptar un electrón de ligadura para completar todas las ligaduras a temperatura ambiente, cada aceptor libera un hueco, el cual queda libre para la conducción

17 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase 2-17 el sitio aceptor queda cargado negativamente (carga fija) Se define: N a concentración de aceptores [cm 3 ] Si N a n i, el dopaje es irrelevante (semiconductor intrínseco), esto implica: n o = p o = n i

18 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase 2-18 Si N a n i, el dopaje controla la concentración de portadores (semiconductor extrínseco), esto implica: p o = N a n o = n2 i N a Notar: p o n o : semiconductor tipo p Ejemplo numérico: N a = cm 3 p o = cm 3, n o = 10 4 cm 3. Típicamente: N a cm 3

19 86.03/ Dispositivos Semiconductores - 1 o Cuat Clase 2-19 Resumen En un semiconductor, hay dos tipos de portadores: electrones y huecos. Para un dado semiconductor en equilibrio térmico n o p o es una constante: n o p o = n 2 i Semiconductor intrínseco: semiconductor puro n o = p o = n i Para Si a temperatura ambiente: n i cm 3 n i es fuertemente dependiente de la temperatura. Semiconductor extrínseco: las concentraciones de portadores pueden ser manipuladas mediante la introducción de átomos dopantes de otras especies: semiconductor tipo n: n o = N d, p o = n2 i N d semiconductor tipo p: p o = N a, n o = n2 i N a Nota: En el caso que ocurra N d = N a el semiconductor debe considerarse intrínseco (siempre que la concentración de dopantes sea < ).

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