FISICA ELECTRONICA

1. SEMICONDUCTORES
Presentado por:
Luis Alberto Carpio Nuñez.
11/11/2014

2. Descubrimiento de los semiconductores y primeras aplicaciones
1782 A. Volta Introduce la palabra “semiconductor”
1833 M. Faraday Descubre que la conductividad de algunos materiales aumenta con T
1874 F. Braun Primer diodo de vacío
1897 J.J. Thomson Descubrimiento del electrón
Descubre que la corriente eléctrica en los metales es debida al movimiento de los
electrones
1901 V. E. Riecke
1903 J. Koenigsberg Postula que la resistividad de los semiconductores depende de T
Programa de búsqueda para sustituir los conmutadores electromecánicos con otros
basados en semiconductores.
11/11/2014
1936 Bell T. Laboratories
Propone una teoría de bandas del sólido y el concepto de impurezas donadoras y
aceptoras.
1931 A. Wilson
1931 W. Heisenberg Concepto de hueco como quasi-partícula de carga positiva
1939 Shockley: dispositivo amplificador basado en semiconductores
1940 Primer fotodiodo basado en la unión p/n de silicio
1947 Invención del transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley )
1948 Primera radio de transistor
Western Electric: primer transistor comercial (amplificador para auriculares para
sordos)
1951

3. 1956 Bardeen, Brattain e Shockley reciben el premio Nobel por la descubrimiento del transistor.
1956
1956
1956
1956
11/11/2014

4. Materiales semiconductores
Diferencias conductor – semiconductor
Semiconductores. Conducción intrínseca y
extrínseca
Modelo de bandas de energía
Ley de acción de masas
Ley de la neutralidad eléctrica
Corrientes de desplazamiento
Corrientes de difusión
11/11/2014

5. Diferencias conductor – semiconductor
Influencia de la temperatura en la resistencia
11/11/2014
108 (m)-1
Cu
s
T
Efecto Hall
Fotoresistencia
T
106 (m)-1
s
Ge

6. Efecto Hall
En conductores
En semiconductores: silicio dopado con galio
11/11/2014
VH
J
va
F
B

-VH
J
va
F
B

7. Variación de la conductividad por iluminación
11/11/2014
luz
Frecuencia radiación
Energía de los fotones
Fotoconductividad del Ge
A

8. Estructura de un metal
11/11/2014
+
+ +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1029 e- libres/m3

9. Estructura de un semiconductor
11/11/2014

10. Semiconductores. Conducción intrínseca
11/11/2014
rE
Ge
= A 300 K: 1e– cada 109
átomos, 1019 e–/m3
T  0 K
Concentración de e-: (n)
Concentración de h : (p)
n = p

11. Semiconductores. Conducción extrínseca
e– poco ligado
(0.03 -0.1 eV)
e– ocupa el hueco
(0.04 -0.12 eV)
11/11/2014
tipo P
Ga
tipo N
A
s
Átomo donador P,As,Sb: (ND)
rE
Átomo aceptor B,Al,Ga,In: (NA)
Portadores mayoritarios: n  1022/m3
Portadores minoritarios: p  1016/m3
Portadores mayoritarios: p  1022/m3
Portadores minoritarios: n  1016/m3

12. Donadores y aceptores para el silicio
11/11/2014
1
H
1,008
2
He
4,003
3
Li
6,941
4
Be
9,012
5
B
10,811
6
C
12,011
7
N
14,007
8
O
15,999
9
F
18,998
10
Ne
20,183
11
Na
22,990
12
Mg
24,305
13
Al
26,982
14
Si
28,086
15
P
30,974
16
S
32,064
17
Cl
35,453
18
Ar
39,948
19
K
39,10
20
Ca
40,08
...
30
Zn
65,37
31
Ga
69,72
32
Ge
72,59
33
As
74,92
34
Se
78,96
35
Br
79,91
36
Kr
83,80
37
Rb
85,47
38
Sr
87,62
...
48
Cd
112,40
49
In
114,82
50
Sn
118,89
51
Sb
121,75
52
Te
127,60
53
I
126,90
54
Xe
131,30
55
Cs
132,91
56
Ba
137,33
...
80
Hg
200,59
81
Tl
204,37
82
Pb
207,19
83
Bi
208,98
84
Po
(210)
85
At
(210)
86
Rn
(222)

13. Donadores y aceptores para el germanio
11/11/2014
1
H
1,008
2
He
4,003
3
Li
6,941
4
Be
9,012
5
B
10,811
6
C
12,011
7
N
14,007
8
O
15,999
9
F
18,998
10
Ne
20,183
11
Na
22,990
12
Mg
24,305
13
Al
26,982
14
Si
28,086
15
P
30,974
16
S
32,064
17
Cl
35,453
18
Ar
39,948
19
K
39,10
20
Ca
40,08
...
30
Zn
65,37
31
Ga
69,72
32
Ge
72,59
33
As
74,92
34
Se
78,96
35
Br
79,91
36
Kr
83,80
37
Rb
85,47
38
Sr
87,62
...
48
Cd
112,40
49
In
114,82
50
Sn
118,89
51
Sb
121,75
52
Te
127,60
53
I
126,90
54
Xe
131,30
55
Cs
132,91
56
Ba
137,33
...
80
Hg
200,59
81
Tl
204,37
82
Pb
207,19
83
Bi
208,98
84
Po
(210)
85
At
(210)
86
Rn
(222)

14. Estructura electrónica
11/11/2014
Estados o niveles de
energía permitidos
ENERGÍA DEL e-
p +
Hidrógeno
+6
6Carbono: 1s2 2s2 2p2
aislante
14Silicio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
32Germanio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s24p2
semiconductores
50Estaño: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s24p64d105s25p2
conductor

15. Modelo de bandas de energía
2p²
Niveles ocupados
Grafito Diamante Átomos aislados
X3 X2 X1
11/11/2014
2s²
Niveles vacíos
d
E
BANDA
DE
CONDUCCIÓN
BANDA
PROHIBIDA
BANDA
DE
VALENCIA

16. Modelo de bandas de energía
(continuación)
BC
Eg = 1 eV
11/11/2014
BC
Eg = 10 eV
BV
BV
BC
BV
Aislante Semiconductor Conductor
Eg(Si) = 1,12 eV
Eg(Ge) = 0,66 eV
T = 300 K

17. Modelo de bandas de energía.
Conducción intrínseca
Banda de conducción
Banda prohibida
11/11/2014
Eg
Eg (Ge)  0,7 eV
Eg (Si)  1,1 eV
E
T = 0 K
Banda de valencia
T > 0 K
n = p = ni

18. Modelo de bandas de energía.
Conducción extrínseca (tipo n)
11/11/2014
0.01 eV
T > 0 K
Nivel donante
T = 0 K
E
Ión de
impureza
donante

19. Modelo de bandas de energía.
Conducción extrínseca (tipo p)
11/11/2014
Nivel aceptor
E
0,01 eV
T = 0 K T > 0 K Ión de
impureza
aceptora
Huecos en la BV

20. Ley de acción de masas
n·p = ni
n: número de electrones por unidad de volumen
p: número de huecos por unidad de volumen
ni: concentración intrínseca
ni(Ge, 300 K) = 2,4·1019 port./m3
ni(Si, 300 K) = 1,5·1016 port./m3
11/11/2014
2
E
2kT
3
2
i
g
n f(t) AT e

 

21. Ley de la neutralidad eléctrica
 NA + n = ND + p
 Intrínseco  NA = ND = 0  p = n = ni
 Tipo n  NA = 0; n  ND 
 Tipo p  ND = 0; p  NA 
11/11/2014
2
i
N
D
n
p 
2
i
N
A
n
n 

22. Concentraciones de portadores
NA + n = p ; p >>>>> n; NA  p
11/11/2014
P
N
Iones de impureza aceptora INMÓVIL
Hueco dejado por electrón MÓVIL
Electrón térmico MÓVIL
Hueco térmico MÓVIL
Iones de impureza dadora
INMÓVIL
Electrón liberado por dador MÓVIL
Electrón térmico MÓVIL
Hueco térmico MÓVIL
ND + p = n ; n >>>>> p; ND  n

23. Propiedades del germanio y el
silicio
11/11/2014
Ge Si
Número atómico 32 14
Masa atómica (g/mol) 72,6 28,08
Radio atómico (nm) 0,137 0,132
Estructura electrónica [Ar]4s23d104p2 [Ne]3s23p2
Densidad kg/m3 5323 2330
Temperatura de fusión 937,4 ºC 1410 ºC
Calor específico J/kg·ºC 309 677
Concentración atómica at/m3 4,42·1028 4,96·1028
Concentración intrínseca (300 K) 2,36·1019 m-3 1,5·1016 m-3
Constante A m-3·K-3/2 1,91·1021 4,92·1021
Anchura banda prohibida (300 K) 0,67 eV 1,1 eV
Movilidad electrones (300 K) 0,39 m2/Vs 0,135 m2/Vs
Movilidad huecos (300 K) 0,182 m2/Vs 0,05 m2/Vs
Resistividad intrínseca (300 K) 0,47 m 2300 m
Difusividad electrones 10,1·10-3 m2/s 3,5·10-3 m2/s
Difusividad huecos 4,9·10-3 m2/s 1,3·10-3 m2/s
Permitividad eléctrica 15,7 12
Masa efectiva electrones 0,5 m0 1,1 m0
Masa efectiva huecos 0,37 m0 0,59 m0

24. Conductividad de semiconductores
11/11/2014
30
25
20
15
10
5
0
250 270 290 310 330 350 370
T (K)
Conductividad (S/m)
Ge
A poca temperatura,
las impurezas se ionizan
Semiconductor extrínseco
2
1
0
ND=1020 m-3
0 100 200 300 400 500
T (K)
Conductividad (S/m)
Si puro
ND=5∙1019 m-3
rápidamente.
Los portadores procedentes de las
impurezas, ya ionizadas, no
aumentan sensiblemente.
A temperaturas altas, la
conducción intrínseca se
hace significativa.

25. Corrientes de desplazamiento
r r
r
r r r r
r r
vp = pE
r
      J pqv pq E p p e p
J nqv n( q )( E) nq E n n e n e n
J = Jp + Jn = qe(nn + pp)E = sE
s = qe(nn + pp)
11/11/2014
r r r
  
vn = -nE
Jn
Jp
r
Eext

26. Corrientes de desplazamiento en SC
Intrínsecos
11/11/2014
p = n = ni
s = qe(nn + pp)
s = qeni(n + p)
p
n >> p
s  qnn
p >> n
s  qpp
n
Extrínsecos

27. Corrientes de difusión
Ley de Fick
  
Ley de Ohm
r
nd
dx
n
Dn Difusividad de electrones (Dn Si = 3,5·10-3 m2/s)
Dp Difusividad de huecos (Dp Si = 1,31·10-3 m2/s)
11/11/2014
n = 0
r
Jdif = -qDn
D D kT
p
r
J = -sV
n V
Relación de Einstein: T
p
n
 
q



k (Constante de Boltzmann) = 1,38·10-23 JK-1 VT(300 K) = 25,85 mV

28. Corrientes de difusión (continuación)
11/11/2014
Jn
N
n
r
r
Jn = qeDnn
P
p
r
Jp
r
Jp = -qeDpp

29. Variación de potencial en un
semiconductor con dopado no
uniforme
p(x p(x2) 1)
11/11/2014
p = p(x)
x2 x1
0 x en circuito abierto  Jdif + Jdesp = 0
r r
qD p p    
p qE 0
dp
dx
kT
Relación de Einstein: D    V

p p T p q
r
E

30. Variación de potencial en un
semiconductor con dopado no
uniforme (continuación)
VT    VT(300 K) = 25.85 mV
p
1
V V
V - V  V ln T
n
1
V V
V - V   V ln T
11/11/2014
Edx dV
dp
p
p 
2
2 1 T p
2 1
V
1 2p p e


n 
2
2 1 T n
2 1
V
1 2n n e



Ejemplo: p1 = 1016 huecos/m3; p2 = 1022 huecos/m3