Semiconductores Extrínsecos

Transcripción

1 Materiales Eléctricos Semiconductores Semiconductores Extrínsecos Puesto que los semiconductores intrínsecos resentan el mismo número de e- de conducción que de h+ no son lo suficientemente flexibles ara la mayor arte de las alicaciones rácticas de los semiconductores. Para aumentar el número de ortadores el rocedimiento más común consiste en introducir, de forma controlada, una cierta cantidad de átomos de imurezas obteniéndose lo que se denomina semiconductor extrínseco o doado. En ellos, la conducción de corriente eléctrica tiene lugar referentemente or uno de los dos tios de ortadores. 1

2 Se uede obtener diferentes semiconductores (diferentes GAPs ) combinando átomos III IV V VI II Si, Ge, GaAs, InP, ZnO IV III-V II-VI IV III-V, II-VI II-VI diamante cinc-blenda wurzita Banda rohibida (Ga) Silicio Germanio GaAs InP ZnO Diamante 1.14 ev 0.67 ev 1.4 ev 1.34 ev 3.37 ev ev Semiconductores tio N Imurezas Donadoras En un cristal de Si se sustituye uno de sus átomos or otro que osee 5 e- de valencia. Dicho átomo encajará sin mayores dificultades en la red cristalina del Si. Cuatro de sus 5 e- de valencia comletarán la estructura de enlaces, quedando el quinto e- débilmente ligado al átomo. A temeratura ambiente, e incluso inferior, este e- se libera con facilidad y uede entonces moverse or la red cristalina, or lo que constituye un ortador. Es imortante señalar que cuando se libera este e-, en la estructura de enlaces no queda ninguna vacante en la que ueda caer otro e- ligado. A estos elementos que tienen la roiedad de ceder e- libres sin crear h+ al mismo tiemo, se les denomina donantes o imurezas donadoras y hacen al semiconductor de tio n or que a dicha temeratura tenemos muchos más e- que h+. En un semiconductor tio n, los e- de conducción son los ortadores mayoritarios (aunque no exclusivos).

3 Si un semiconductor intrínseco se contamina con imurezas tio n, no solo aumenta el número de e-, sino que además, el número de h+ disminuye or debajo del que tenía el semiconductor intrínseco, ya que el gran número de e- resentes aumenta la recombinación de los e- y los h+. Se cumle siemre n* ni Ley de acción de masas Esta ley tiene carácter general, cumliéndose tanto en semiconductores intrínsecos como extrínsecos, ya sean estos últimos de tio n o de tio. Semiconductor Extrínseco tio N Con imurezas Donadoras N D Banda Conducción Banda Valencia Niveles energéticos uestos or las imurezas Donadoras N D 3

4 Semiconductores tio Imurezas Acetoras Cuando sustituimos un átomo de Si or otro que tenga 3 e- de valencia. Dicho átomo no comleta la estructura de enlaces. De ahí que a temeratura ambiente e incluso inferiores, un e- ligado de un átomo vecino ase a ocuar dicha vacante comletando, de esta forma, la estructura de enlaces y creando, al mismo tiemo, un h+. A estos elementos que tienen redisosición ara acetar e ligados se les conoce con el nombre de acetadores o imurezas acetadoras y se dicen que hacen al material de tio ya que éste conduce, fundamentalmente (aunque no de forma exclusiva), mediante los h+. Semiconductor Extrínseco tio P Con imurezas Acetoras N A Banda Conducción Banda Valencia Niveles energéticos uestos or las imurezas Acetoras N A 4

5 DENSIDAD DE CARGAS Finalmente, es de señalar que cuando el átomo donador o acetador, cede o admite e- resectivamente queda cargado ositiva / negativamente. Sin embargo, el ion corresondiente tiene su estructura de enlaces comleta. Es una carga fija que no uede contribuir a la conducción de corriente eléctrica. Por otra arte, el cristal es eléctricamente neutro, es decir, debe haber el mismo número de cargas ositivas y negativas. La neutralidad de carga se debe mantener, Por lo tanto. Puede hacerse un cálculo exacto de la osición del Nivel de Fermi en un Material tio n la osición del Nivel de Fermi Igualmente ara un material tio : E E F F N Ec ktln N E V C D ktln N N V A 5

6 Proiedades Eléctricas del Si Densidad de Corriente J q( nn ) E Ley de Ohm Microscóica Concentración Intrínseca n J E i A T 3 e E kt Go Banda Prohibida. Variación con la temeratura ara Si E T 4 G( ) 1,1 3,6 *10 * Deendencia de la Movilidad con el Camo Eléctrico T Permanece constante si E< 10 3 V/cm en un Si tio n. Para 10 3 <E< 10 4 V/cm, μn varía aroximadamente como E -1/. Para mayores, μn es inversamente roorcional a E y la velocidad del ortador se aroxima al valor constante de 10 7 cm/seg vd E 6

7 Deendencia de la Movilidad con el Camo Eléctrico Deendencia de la resistividad con la Temeratura ara un Semiconductor Intrínseco 7

8 Concentración Deendencia de la resistividad con la Temeratura ara un Semiconductor Extrínseco T 50 K 500 K Tem. de Ionización Tem. Extrínseca de Imurezas Efecto Hall Método de medición: Sea el bloque conductor de la figura, or el cual circula una corriente en x ositiva. Esto significa que, si el material es de tio n, la velocidad de e- tiene dirección x negativa; y si el materiales de tio, los huecos tienen una velocidad en x ositiva. Si se alica un camo magnético B uniforma en z ositiva, las cargas en movimiento exerimentan una fuerza erendicular a su velocidad y al camo B, entonces F=qv x B, en dirección y sentido que deende de q. Como los ortadores n tendrían velocidad ouesta a los de, entonces, tanto si los ortadores son n o, Fres sería en la dirección y ositiva. Esto significa que los ortadores, se acumularían en la caa suerior del bloque, lo que sería una tensión entre la cara 1 y. Si se mide esta tensión negativa, es un semiconductor tio n, de lo contario es tio. 8

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11 Modulación de la Conductividad LDR Generación y Recombinación 11

12 VARIACION TEMPORAL DE LA CARGA EN UN SEMICONDUCTOR Decrecimiento de la concentración de huecos or segundo debida a la recombinación g = Incremento de la concentración de huecos or segundo debida a la generación térmica d g dt Como ninguna carga uede ser creada ni destruida, deberá haber un incremento or segundo d/dt de la concentración d dt o ' o '( t) d' ' dt En condiciones de equilibrio, la concentración de huecos alcanzará su equilibrio térmico ara un valor o La densidad de ortadores inyectados o excedentes se define como el incremento de la concentración de minoritarios sobre el valor de equilibrio. La velocidad de cambio del exceso de concentración es roorcional a su concentración. El signo menos indica que el cambio es una disminución en el caso de recombinación, y es un aumento cuando la concentración se resarce de una disminución temoral. Debido a la radiación es un instante inicial (a t<=0), hay un exceso de concentración (0)=/-o, y cuando la radiación se elimine, la solución ara t>=0 será: ' ( t) '(0) e t ( o) e t 0 1

13 Difusión Como consecuencia del gradiente de concentración aarece un movimiento de artículas en el sentido contrario al crecimiento del gradiente. Pero estas artículas son cargas or lo tanto es una corriente electrica La constante de roorcionalidad entre el gradiente y la corriente es la constante de Difusión D n y D J n qd n dn J D d La constante de Difusión se relacione con la movilidad or Dn n D V T kt q kt V T 6mV q Relación de Einstein A 300ºK = 7ºC 13

14 Ejemlo de una corriente de Difusión Corriente de Difusión de huecos inyectados Ecuación de Continuidad Se refiere a todos los efectos que sufren las cargas en un semiconductor Puede aarecer variación temoral y esacial de las cargas. Se basa en que ninguna carga uede ser creada o destruida Tio n Suoniendo una barra de semiconductor de área transversal A y un ancho Por un extremo entra una corriente I y or el extremo ouesto sale I+ Di DI uede ser ositivo o negativo Internamente se tiene generación y recombinación 14

15 Ecuación de Continuidad Tio n di q Es el numero de ortadores que desaarecen or unidad de tiemo en el volumen A 1 di 1 qa q dj Disminución de la concentración de huecos or unidad de tiemo en el volumen A debida a la corriente I Ecuación de Continuidad Ecuación de Continuidad que contemla la variación Temoral y Esacial de la carga en el volumen A Tio n t 0 1 q dj 15

16 Ecuación de Continuidad Ecuación de Continuidad que contemla la variación Temoral y Esacial de la carga en el volumen A mas la corriente or camo Eléctrico E Para un SEM Tio N Para un SEM Tio P Ecu. de Cont. alicada sin variación temoral d o D L 1 ( D) d ' ' L x x L ' ( x) k1 L k '( x) '(0) e x L ( x) o 16

17 17 d dn n n n I D D d AqD dn AqD L x o L x e L AqD e L AqD x I ] (0) [ '(0) ) (