•Materiales conductores, semiconductores y
asilantes
Electrónica I
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materiales semiconductores, Diapositivas de Electrónica
descripcion de semiconductores
Tipo: Diapositivas
2019/2020
1 / 25
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Materiales conductores, semiconductores y
asilantes
Electrónica I
Los conductores eléctricos pueden ser definidos como
materiales con poca resistencia al paso de
la electricidad, debido a esta característica son capaces
de transmitir la energía recibida a través de ellos.
Si bien es cierto que la energía circula fácilmente por
estos conductores, estos también deben poseer la
capacidad de impedir el paso de la electricidad, ser
flexibles y resistentes para su utilización.
Los conductores eléctricos pueden ser definidos como
materiales con poca resistencia al paso de
la electricidad, debido a esta característica son capaces
de transmitir la energía recibida a través de ellos.
Si bien es cierto que la energía circula fácilmente por
estos conductores, estos también deben poseer la
capacidad de impedir el paso de la electricidad, ser
flexibles y resistentes para su utilización.
Materiales conductores
Semiconductores elementales: Germanio (Ge) y Silicio (Si)
Compuestos IV: SiC y SiGe
Compuestos III-V:
Binarios: GaAs, GaP, GaSb, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP y InSb
Ternarios: GaAsP, AlGaAs
Cuaternarios: InGaAsP
Compuestos II-VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe y CdTe
Son materiales de conductividad intermedia entre la
de los metales y la de los aislantes, que se modifica
en gran medida por la temperatura, la excitación
óptica y las impurezas.
Son materiales de conductividad intermedia entre la
de los metales y la de los aislantes, que se modifica
en gran medida por la temperatura, la excitación
óptica y las impurezas.
Materiales semiconductores (I)
Estructura atómica del Carbono (6 electrones)
1s
2
2s
2
2p
2
Estructura atómica del Silicio (14 electrones)
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
2
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2
4p
2
Estructura atómica del Germanio (32 electrones)
4 electrones en la última capa
4 electrones en la última capa
Materiales semiconductores (II)
Reducción de la distancia interatómica del Carbono
Materiales semiconductores (IV)
Distancia interatómica
Energía
Grafito:
Hexagonal, negro,
blando y conductor
Grafito:
Hexagonal, negro,
blando y conductor
Diamante:
Cúbico, transparente,
duro y aislante
Diamante:
Cúbico, transparente,
duro y aislante
Si un electrón de la banda de valencia alcanzara la energía
necesaria para saltar a la banda de conducción, podría moverse al
estado vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino,
generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente casi ningún
electrón tiene esta energía.
Es un aislante.
Si un electrón de la banda de valencia alcanzara la energía
necesaria para saltar a la banda de conducción, podría moverse al
estado vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino,
generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente casi ningún
electrón tiene esta energía.
Es un aislante.
Banda prohibida
E
g
=6eV
Diagramas de bandas (I)
Diagrama de bandas del Carbono: diamante
Banda de valencia
4 electrones/átomo
Banda de conducción
4 estados/átomo
Energía
Si un electrón de la banda de valencia alcanza la energía necesaria
para saltar a la banda de conducción, puede moverse al estado
vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino, generando
corriente eléctrica. A temperatura ambiente algunos electrones
tienen esta energía. Es un semiconductor.
Si un electrón de la banda de valencia alcanza la energía necesaria
para saltar a la banda de conducción, puede moverse al estado
vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino, generando
corriente eléctrica. A temperatura ambiente algunos electrones
tienen esta energía. Es un semiconductor.
Diagramas de bandas (III)
Diagrama de bandas del Ge
E
g
=0,67eV
Banda prohibida
Banda de valencia
4 electrones/átomo
Banda de conducción
4 estados/átomo
Energía
A 0ºK, tanto los aislantes como los semiconductores no
conducen, ya que ningún electrón tiene energía suficiente para
pasar de la banda de valencia a la de conducción. A 300ºK,
algunos electrones de los semiconductores alcanzan este nivel. Al
aumentar la temperatura aumenta la conducción en los
semiconductores (al contrario que en los metales).
A 0ºK, tanto los aislantes como los semiconductores no
conducen, ya que ningún electrón tiene energía suficiente para
pasar de la banda de valencia a la de conducción. A 300ºK,
algunos electrones de los semiconductores alcanzan este nivel. Al
aumentar la temperatura aumenta la conducción en los
semiconductores (al contrario que en los metales).
E
g
Banda de
valencia
Banda de
conducción
Aislante
E
g
=5-10eV
Diagramas de bandas (IV)
Semiconductor
E
g
=0,5-2eV
E
g
Banda de
valencia
Banda de
conducción
Banda de
valencia
Conductor
No hay E
g
Banda de
conducción
Hay 1 enlace roto por cada 1,7·
9
átomos.
Un electrón “libre” y una carga “+” por cada
enlace roto.
Hay 1 enlace roto por cada 1,7·
9
átomos.
Un electrón “libre” y una carga “+” por cada
enlace roto.
Situación del Ge a 0ºK
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
- - - **- -
-**
+
300º K (I)
Situación del Ge a 300º K (II)
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
- - - **- -
-**
+
Generación
- -
+
Recombinación
Generación
Siempre se están rompiendo (generación) y
reconstruyendo (recombinación) enlaces. La vida media
de un electrón puede ser del orden de milisegundos o
microsegundos.
Siempre se están rompiendo (generación) y
reconstruyendo (recombinación) enlaces. La vida media
de un electrón puede ser del orden de milisegundos o
microsegundos.
-
++
- -
Recombinación
Generación
Muy
importante
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
G
e
- - - **- -
-**
Aplicación de un campo externo (II)
-
- -
La carga “+” se mueve también. Es un nuevo
portador de carga, llamado “hueco”.
La carga “+” se mueve también. Es un nuevo
portador de carga, llamado “hueco”.
Muy
importante
Mecanismo de conducción. Interpretación
en diagrama de bandas
Átomo 1
Átomo 2
Átomo 3
Campo eléctrico
j
p
=q·
p
·p· j
n
=q·
n
·n·
Movimiento de cargas por un campo eléctrico
exterior (II)
Ge
(cm
2
/V·s)
Si
(cm
2
/V·s)
As Ga
(cm
2
/V·s)
n
p
q = carga del electrón
p
= movilidad de los huecos
n
= movilidad de los electrones
p = concentración de huecos
n = concentración de electrones
= intensidad del campo eléctrico
Muy
importante
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 = n
i
Ge: n
i
= 2·
13
portadores/cm
3
Si: n
i
= 10
10
portadores/cm
3
AsGa: n
i
= 2·
6
portadores/cm
3
(a temperatura ambiente)
¿Pueden modificarse estos valores?
¿Puede desequilibrarse el número de electrones y de
huecos?
La respuesta son los Semiconductores Extrínsecos
¿Pueden modificarse estos valores?
¿Puede desequilibrarse el número de electrones y de
huecos?