Unidad 1: Introducción a materiales semiconductores

Profesor: Ing. Israel Chaves Arbaiza

Curso: Electrónica Básica para Ing. Mecatrónica

Agenda

  • Estructura atómica

  • Electrones de valencia

  • Sustancias cristalinas Germanio/Silicio

  • Materiales tipo N y tipo P

  • Portadores mayoritarios y minoritarios

Estructura atómica

El átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia.

Estructura atómica

La cantidad máxima de electrones que pueden existir por capa, viene dada por:

N_{e}=2n^{2}

Electrones de valencia

  • Son los electrones de la órbita exterior ó portadores de carga
  • Permiten la conducción eléctrica en los materiales
  • Último nivel de energía (mayor energía)
  • Presentan la facilidad de formar enlaces
  • El enlace metálico consiste en un traslape de bandas

Electrones de valencia

Sustancias cristalinas

  • La estructura cristalina es la forma más sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas e iones.
  • Empaquetados de forma ordenada y con patrones que se extienden a las 3 dimensiones del espacio.
  • Es el de mayor orden, las correlaciones internas son mayores

Sustancias cristalinas

Suelen aparecer como entidades puras, homogéneas y con formas geométricas definidas (hábito) cuando están bien formados.

Enlace metálico: Es el enlace más fuerte, primario, que se forma, entre elementos de la misma especie.

Germanio/Silicio

Semiconductores: Clase especial de elementos cuya conductividad está entre la de un buen conductor y la de un aislante.

Germanio/Silicio

En un cristal de silicio ó germanio puros, los cuatro electrones de valencia de un átomo forman un arreglo de enlace con cuatro átomos adyacentes.  

Germanio/Silicio

Germanio/Silicio

Germanio/Silicio

Cuando los electrones de valencia absorben suficiente energía para romper el enlace covalente, asumen el estado libre.

Germanio/Silicio

  • Los electrones libres presentes en un material debido a causas naturales se conocen como portadores intrínsecos. 
  • Intrínseco: se aplica a cualquier material semiconductor que haya sido cuidadosamente refinado para reducir el número de impurezas a un nivel muy bajo
  • El número de portadores intrínsecos es importante, pero se deben considerar otras características dependiendo de su uso, como por ejemplo la movilidad relativa. 

Formas de ganar energía

Material tipo N y tipo P

  1. La aplicación de semiconductores necesita niveles de pureza extremadamente altos. 
  2. Se ha demostrado que adherir una parte de impureza (del tipo apropiado), por millón en una oblea de material de silicio, puede cambiar un material de un conductor deficiente a un buen conductor eléctrico. 
  3. La capacidad de cambiar las características de un material, se llama impurificación ó dopado, algo que el germanio y el silicio aceptan con facilidad y rápidez. 

Material tipo N y tipo P

Material tipo N y tipo P

Material tipo N: Un material tipo N se crea introduciendo elementos de impureza que contienen cinco electrones de valencia, como el antimonio, arsénico y fósforo.

Material tipo N y tipo P

  • Los 4 enlaces covalentes permanecen. Existe un 5to electrón adicional debido al átomo de impureza, el cual no está asociado con cualquier enlace covalente particular
  • Este electrón restante, está "libre" para moverse dentro del material tipo N recién formado, puesto que el átomo de impureza insertado ha donado un electrón relativamente "libre" a la estructura. 
  • Como resultado, a temperatura ambiente, hay muchos portadores (electrones) en el nivel de conducción y la conductividad del material se incrementa. 

Material tipo N y tipo P

Material tipo P: El material tipo P se forma dopando un cristal de germanio ó silicio con puros átomos de impureza que tienen 3 electrones de valencia. Los elementos utilizados para esto son boro, galio e indio.

Material tipo N y tipo P

  • Ahora el número de electrones es insuficiente para completar las bandas covalentes de la estructura recién formada. El vacío se llama hueco, y se denota con un pequeño círculo ó un signo +
  • El vacío resultante aceptará con facilidad un electrón libre. 
  • Las impurezas difundidas con 3 electrones de valencia se llaman átomos aceptores.

Portadores mayoritarios y minoritarios

  • En el estado intrínseco, el número de electrones libres en Ge ó Si, se debe sólo a los electrones en la banda de valencia que adquirieron suficiente energía de fuentes térmicas ó luminosas para romper la banda covalente ó a las impurezas que no pudieron ser eliminadas. 
  • En un material tipo N el electrón se llama portador mayoritario y el hueco portador minoritario. 
  • En un material tipo P, el hueco es el portador mayoritario y el electrón el minoritario. 

Portadores mayoritarios y minoritarios