Física de semiconductores

Unidad I.- Principios de estado sólido

1.1.- Estado cristalino y estructuras cristalinas simples

Se puede decir que un sólido es un material que posee forma y volumen definidos y que es una sustancia constituida por átomos metálicos, átomos no metálicos, iones ó moléculas. Los materiales que se pueden considerar como sólidos, se dividen en dos categorías: los cristalinos y los amorfos.Solidó Cristalino Sólido Amorfo

En los amorfos los átomos o moléculas pueden estar enlazados con bastante firmeza entre si, pero poseen poca o ninguna regularidad geométrica en la forma que los átomos están acomodados en el espacio.
Estas substancias son casi siempreviscoelásticas.

A temperaturas altas los amorfos se transforman en líquidos y sus partículas constituyentes tienen libertad de movimiento, al disminuir lentamente la temperatura, la energía cinética de las partículas se va haciendo tan baja que se puede producir un acomodamiento entre ellas; pero si el enfriamiento se produce rápidamente y por debajo del punto de fusión (sobreenfriamiento), se origina,como resultado de las menores vibraciones, una contracción térmica que no permite el ordenamiento de las partículas aumentando la viscosidad que ya no es posible apreciar flujo y la sustancia adquiere las características de un sólido. Cuando un sólido amorfo se quiebra produce caras y bordes irregulares y al fundirse lo hace en un rango de temperaturas cambiando lentamente del estado sólido alestado líquido.

Los materiales cristalinos son aquellos materiales sólidos cuyos elementos constitutivos se repiten de manera ordenada y paralela y cuya distribución en el espacio muestra ciertas relaciones de simetría.

Por tanto, el cristal está formado por la repetición monótona de agrupaciones atómicas paralelas entre sí y a distancias repetitivas específicas (traslación). La red cristalinaes una abstracción del contenido material de este medio cristalino, y el tratarlo únicamente en función de las traslaciones presentes constituye la esencia de la teoría de las redes cristalinas.

Por lo tanto, los sólidos cristalinos se conocen mejor físicamente como sólidos y los sólidos amorfos como líquidos.

Las redes cristalinas nos las encontramos, obligatoriamente, en materialescerámicos y metálicos, y con menos profusión en los orgánicos. El ordenamiento atómico en sólidos cristalinos puede representarse asimilando los átomos a los puntos de intersección de una red de líneas en tres dimensiones. Tal red se llama retículo espacial, y puede ser descrita como una disposición de punto tridimensionalmente infinita. Cada punto de la red espacial tiene idéntico entorno y puede serdescrito por una disposición espacial mínima denominada celda unidad.

Representación de las celdas unitarias.

1.2.- Notación cristalográfica, índices de MILLER


En una red cristalina, un plano cristalográfico es el que contiene diversos centros de átomos de la red. Puesto que la estructura cristalina se repite uniformemente en todas las direcciones, todos los planos paralelos quecontengan la misma distribución de átomos corresponderán al mismo plano cristalográfico.
Una forma usual de identificar los planos cristalográficos es mediante los índices de Miller, que poseen la ventaja de poderse utilizar directamente en análisis mediante rayos X. Para el caso de redes cúbicas, la determinación de los índices de Miller se realiza, de acuerdo con la figura 3.36, con el siguienteproceso:

1. Se toma como origen cualquier átomo del cristal y se trazan los ejes de referencia cartesianos (x, y, z) coincidentes con los parámetros de una celdilla estructural.

2. Se determinan las intersecciones de un plano con los ejes de referencia cuantificadas en unidades del parámetro característico.

3. Se determinan sus recíprocos reducidas al mínimo común denominador (h, k,...