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DISPOSITIVOS ELECTRONICOS
UNICA 1
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
ESCUELA DE ING. ELECTRONICA
Los Materiales semiconductores
Introducción a la Electrónica de Dispositivos
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
ESCUELA DE ING. ELECTRONICA
Semiconductores elementales: Germanio (Ge) y Silicio (Si)Compuestos IV: SiC y SiGeCompuestos III-V:Binarios: GaAs, GaP, GaSb, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP y InSbTernarios: GaAsP, AlGaAsCuaternarios: InGaAsPCompuestos II-VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe y CdTe
Son materiales de conductividad intermedia entre lade los metales y la de los aislantes, que se modificaen gran medida por la temperatura, la excitaciónóptica y las impurezas.
Materiales semiconductores (I)
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
ESCUELA DE ING. ELECTRONICA
•Estructura atómica del Carbono (6 electrones)1s2 2s2 2p2
•Estructura atómica del Silicio (14 electrones)1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2
•Estructura atómica del Germanio (32 electrones)
4 electrones en la última capa
Materiales semiconductores (II)
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
ESCUELA DE ING. ELECTRONICA
Distancia interatómica
Estados discretos(átomos aislados)
Carbono gaseoso (6 electrones) 1s2, 2s2, 2p2
Materiales semiconductores (III)
- 2s2-
Banda de estados
2p2
4 estados vacíos
- -
1s2--
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
ESCUELA DE ING. ELECTRONICA
Reducción de la distancia interatómica del CarbonoMateriales semiconductores (IV)
Distancia interatómica
Ener
gía
--
- -
--
Grafito:Hexagonal, negro, blando y conductor
----
Diamante:Cúbico, transparente, duro y aislante
----
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
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Si un electrón de la banda de valencia alcanzara la energíanecesaria para saltar a la banda de conducción, podría moverse alestado vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino,generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente casi ningúnelectrón tiene esta energía.Es un aislante.
Banda prohibidaEg=6eV
Diagramas de bandas (I)Diagrama de bandas del Carbono: diamante
Banda de valencia4 electrones/átomo--
--
Banda de conducción
4 estados/átomo
Ener
gía
DISPOSITIVOS ELECTRONICOS
UNICA 2
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
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No hay banda prohibida. Los electrones de la banda devalencia tienen la misma energía que los estados vacíosde la banda de conducción, por lo que pueden moversegenerando corriente eléctrica. A temperatura ambientees un buen conductor.
Diagramas de bandas (II)Diagrama de bandas del Carbono: grafito
Banda de valencia4 electrones/átomo
Banda de conducción
4 estados/átomo
--
--En
ergí
a
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
ESCUELA DE ING. ELECTRONICA
Si un electrón de la banda de valencia alcanza la energía necesariapara saltar a la banda de conducción, puede moverse al estadovacío de la banda de conducción de otro átomo vecino, generandocorriente eléctrica. A temperatura ambiente algunos electronestienen esta energía. Es un semiconductor.
Diagramas de bandas (III)Diagrama de bandas del Ge
Eg=0,67eV Banda prohibida
Banda de valencia4 electrones/átomo--
--
Banda de conducción
4 estados/átomo
Ener
gía
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
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A 0ºK, tanto los aislantes como los semiconductores no conducen,ya que ningún electrón tiene energía suficiente para pasar de labanda de valencia a la de conducción. A 300ºK, algunos electronesde los semiconductores alcanzan este nivel. Al aumentar latemperatura aumenta la conducción en los semiconductores (alcontrario que en los metales).
Eg
Banda de valencia
Banda de conducción
AislanteEg=5-10eV
Diagramas de bandas (IV)
SemiconductorEg=0,5-2eV
Eg
Banda de valencia
Banda de conducción
Banda de valencia
ConductorNo hay Eg
Banda de conducción
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No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale aque los electrones de la banda de valencia nopueden saltar a la banda de conducción.
Representación plana del Germanio a 0º K
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
--
--
--
--
- - - -
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
- - - -
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
ESCUELA DE ING. ELECTRONICA
•Hay 1 enlace roto por cada 1,7·109 átomos.•Un electrón “libre” y una carga “+” por cada enlace roto.
Situación del Ge a 300ºK
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
--
- --
--
- - - -
- - - -
-
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
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Situación del Ge a 300º K (II)
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
--
- --
--
- - - -
- - - -
--
+Generación
-
-
+
Recombinación
Generación
Siempre se están rompiendo (generación) yreconstruyendo (recombinación) enlaces. La vida mediade un electrón puede ser del orden de milisegundos omicrosegundos.
-
++
-
-
Recombinación
Generación
Muyimportante
DISPOSITIVOS ELECTRONICOS
UNICA 3
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
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+-
+ + + + + + +
-------
-
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
--
- --
--
- - - -
- - - -
-
+
Aplicación de un campo externo (I)
•El electrón libre se mueve por acción del campo.•¿Y la carga ”+” ?.
- - --
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
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Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
--
- --
--
- - - -
- - - -
--
+
+-
+ + + + + + + -------
Aplicación de un campo externo (II)
-
+
--
•La carga “+” se mueve también. Es un nuevo portador de carga, llamado “hueco”.
Muyimportante
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
ESCUELA DE ING. ELECTRONICA
Mecanismo de conducción. Interpretación en diagrama de bandas
---
-
Átomo 1
--
-
-
+
Átomo 2
---
-
Átomo 3
+- Campo eléctrico
+
-
-
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
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jp
jn
Existe corriente eléctrica debida a los dos portadores de carga:
jp=q·p·p·E es la densidad de corriente de huecos.
jn=q·n·n·E es la densidad de corriente de electrones.
Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior
E + + + + +
-----
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
- +
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
- +
+
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
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jp=q·p·p·E jn=q·n·n·E Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior
Ge(cm2/V·s)
Si(cm2/V·s)
As Ga(cm2/V·s)
n 3900 1350 8500p 1900 480 400
q = carga del electrón
p = movilidad de los huecosn = movilidad de los electronesp = concentración de huecosn = concentración de electronesE = intensidad del campo eléctrico
Muyimportante
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
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Todo lo comentado hasta ahora se refiere a los llamados “Semiconductores Intrínsecos”, en los que:•No hay ninguna impureza en la red cristalina.•Hay igual número de electrones que de huecos n = p = ni
Ge: ni = 2·1013 portadores/cm3
Si: ni = 1010 portadores/cm3
AsGa: ni = 2·106 portadores/cm3
(a temperatura ambiente)
¿Pueden modificarse estos valores?¿Puede desequilibrarse el número de electrones y de huecos?
La respuesta son los Semiconductores Extrínsecos
Semiconductores Intrínsecos
DISPOSITIVOS ELECTRONICOS
UNICA 4
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
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A 0ºK, habría un electrón adicional ligado al átomo
de Sb
Tiene 5 electrones en la última capa
Semiconductores ExtrínsecosIntroducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo V
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
--
- --
--
- - - -
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
- - - -
Sb
-
--1
2
34
5 0ºK
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
ESCUELA DE ING. ELECTRONICA
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
--
- --
--
- - - -
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
- - - -
Sb
-
--1
2
34
5 0ºK
Semiconductores Extrínsecos
300ºK
Sb+
5-
A 300ºK, todos electrones adicionales de los átomos de Sb estándesligados de su átomo (pueden desplazarse y originar corrienteeléctrica). El Sb es un donador y en el Ge hay más electronesque huecos. Es un semiconductor tipo N.
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
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-
Ener
gía
Eg=0,67eV
4 electr./atm.
4 est./atm.0 electr./atm.
ESb=0,039eV
---
-
0ºK
El Sb genera un estado permitido en la bandaprohibida, muy cerca de la banda de conducción. Laenergía necesaria para alcanzar la banda deconducción se consigue a la temperatura ambiente.
Semiconductores ExtrínsecosInterpretación en diagrama de bandas de un
semiconductor extrínseco Tipo N
3 est./atm.1 electr./atm.-
+
300ºK
Ing. Raúl Hinojosa Sánchez Dispositivos Electrónicos I
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A 0ºK, habría una “falta de electrón” adicional ligado
al átomo de Al
Tiene 3 electrones en la última capa
Semiconductores Extrínsecos Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo III
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
--
- --
--
- - - -
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
- - - -
Al
-12
3
0ºK
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A 300ºK, todas las “faltas” de electrón de los átomos de Al estáncubiertas con un electrón procedente de un átomo de Ge, en el quese genera un hueco. El Al es un aceptador y en el Ge hay máshuecos que electrones. Es un semiconductor tipo P.
Semiconductores Extrínsecos
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
--
- --
--
- - - -
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
- - - -
Al
-12
3
0ºK300ºK
Al-
+
-
4 (extra)
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Ener
gía
Eg=0,67eV
4 electr./atom.0 huecos/atom.
4 est./atom.
EAl=0,067eV
---
-
0ºK
+-
3 electr./atom.1 hueco/atom.
300ºK
Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor extrínseco Tipo P
Semiconductores Extrínsecos
El Al genera un estado permitido en la banda prohibida,muy cerca de la banda de valencia. La energía necesariapara que un electrón alcance este estado permitido seconsigue a la temperatura ambiente, generando unhueco en la banda de valencia.
DISPOSITIVOS ELECTRONICOS
UNICA 5
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Semiconductores intrínsecos:•Igual número de huecos y de electrones
Semiconductores extrínsecos:Tipo P:•Más huecos (mayoritarios) que electrones (minoritarios)•Impurezas del grupo III (aceptador)•Todos los átomos de aceptador ionizados “-”.
Tipo N:•Más electrones (mayoritarios) que huecos (minoritarios)•Impurezas del grupo V (donador)•Todos los átomos de donador ionizados “+”.
Resumen
Muyimportante
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Diagramas de bandas del cristalCristal de Ge con m átomos
Banda de conducción
Banda de valencia
4·m electrones
4·m estados
Ener
gía
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
0ºK
-
300ºK
-
++
¿Cómo es la distribución deelectrones , huecos y estadosen la realidad?
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Eg=0,67eV (Ge)Banda prohibida
gv(E)
gc(E)E
Ec
Ev
Densidad de estados en las bandas de conducción y valencia
E1 dE
Significado: gv(E1)·dE = nº de estados con energía E1 enlos que puede haber electrones en la banda de valencia,por unidad de volumen. Lo mismo para la otra banda
gc(E)= densidad de estados en los que puede haber electrones en la banda de conducción
gv(E)= densidad de estados en los que puede haber electrones en la banda de valencia
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T=500ºK
T=0ºK
T=300ºK
f(E) es la probabilidad de que un estado de energía E esté ocupado por un electrón, en equilibrio
1 + e (E-EF)/kT
f(E) = 1
Función de Fermi f(E)
EF=nivel de Fermik=constante de BoltzmannT=temperatura absoluta
0
0,5
1
0
f(E)
EF E
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gv(E)
gc(E)
Estados posibles
Estados posibles
Ec
Ev
E
f(E)10,50
EF
Calculamos la concentración de electrones en la banda de conducción, “n”.
n = gc(E)·f(E)·dE
Ec
En general:Estados vacíos completamente
Estados completamente llenos de electrones
f(E)b. cond.=0,luego n = 0
A 0ºK:
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Ec
Ev
Estados posibles
Estados posibles
gc(E)
gv(E)
Electrones
n electrones/vol.
E
f(E)10,50
EF
Semiconductor intrínseco a alta temperatura(para que se puedan ver los electrones)
huecos
n = gc(E)·f(E)·dE
Ec
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UNICA 6
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Ec
Ev
Estados posibles
Estados posibles
gc(E)
gv(E)
1-f(E)
Huecos
Electrones
E
10,50
EF
f(E)
El nivel de Fermi tieneque ser tal que lasáreas que representanhuecos y electronessean idénticas (sem.intrínseco)
Calculamos la concentración de huecos en la banda de valencia, “p”.
-p = gv(E)·(1-f(E))·dE = nEv
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f(E)
1-f(E)
Semiconductor intrínseco
n
p f(E)
1-f(E)
Semiconductor extrínseco tipo N
p
n
Sube el nivel de Fermi
f(E)
1-f(E)n
p
Semiconductor extrínseco tipo P
Baja el nivel de Fermi
Concentración de electrones y huecos en sem. intrínsecos, extrínsecos tipo N y extrínsecos tipo P
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