física de semiconductores

1
Curso 2007
Ing. Electrónica- P2002
Ing. Electrónica/Electricista P88
3er. Año, V cuat.

Física de Semiconductores

Trabajo Práctico Nro. 3: Bloque Sólidos: Semiconductores intrínsecos
Objetivos:
Estudiar las características físicas y eléctricas de los semiconductores puros
(intrínsecos). Introducir los conceptos de Nivel de Fermi, conductividad y efectos de la
temperatura.Introducción:
En los átomos aislados, es decir alejados unos de otros de modo que no hay interacción
entre ellos, los electrones externos se distribuyen energéticamente según valores
discretos determinados por las soluciones de la ecuación de Schrödinger. En un sólido
cristalino, en cambio, las interacciones entre los átomos de la red producen una
distribución energética mucho más complicada. Losniveles permitidos se acumulan en
bandas de energía (bandas permitidas) separadas por intervalos de energía prohibidos
(bandas prohibidas). Dentro de cada banda permitida los niveles energéticos se
encuentran tan cerca entre sí que se pueden considerar las bandas permitidas como
continuas. Cuando x (separación entre átomos) tiende a infinito, la energía toma valores
discretos. Cuando x es muypequeño, entonces, los niveles se convierten en bandas de
energía, como se muestra en la siguiente figura.
Se suele utilizar un modelo de
bandas más sencillo, en el cual
las bandas se consideran planas
como se ilustra en la figura.
Banda de conducción
Banda prohibida
Banda de valencia
A T = 0 ºK en un sólido cristalino los electrones ocuparían los niveles de energía más
bajos posibles. Deeste modo, se pueden tener dos situaciones:
1- la banda permitida de mayor energía está parcialmente ocupada
2- la banda permitida de mayor energía está vacía y todas las demás llenas.
La banda de mayor energía, vacía o parcialmente llena, se denomina Banda de
conducción (BC) y la siguiente de menor energía Banda de valencia (BV). En la banda
de conducción los electrones pueden aumentar suenergía, por ejemplo por efecto de un
campo eléctrico, pasando a niveles superiores de energía siempre que se cumpla el
principio de exclusión de Pauli. Fuera de la temperatura del cero absoluto habrá un
desplazamiento de carga eléctrica que provocará la circulación de una corriente. Por lo
tanto, cualquier desplazamiento de cargas en el cristal debido a electrones libres se debe
al movimientode estos dentro de las bandas de energía que están parcialmente
ocupadas. Esta condición constituye la diferencia entre los materiales clasificados en
metales, aislantes y semiconductores.

2
E

E

E

EC
EC
EG = 8 eV
SiO2
EV

EV
EG = 1.12 eV
Si

EC

EV
Aislante

Semiconductor

Metal

En un aislante el número de electrones es el suficiente como para llenarcompletamente
cierto número de bandas de energía. La última banda llena está separada de la próxima
banda vacía por una región de energía prohibida EG ("gap" de energía) tan ancha que, a
temperaturas físicamente posibles, no se pueden excitar electrones para que atraviesen
esta región, de modo que es muy difícil la circulación de una corriente.
En el caso de un metal, la gran concentración de átomos queexiste en el sólido da
origen a un desdoblamiento de los niveles de energía, donde se superponen las bandas
de conducción y de valencia. Los electrones siempre pueden encontrar estados sin
ocupar en su movimiento a través de la red provocando la conducción de corriente.
En un semiconductor el ancho de la región prohibida EG es lo suficientemente pequeño
como para que exista una probabilidadapreciable de que los electrones, que ocupan
estados de energía en la parte superior de la banda de valencia, adquieran la energía
necesaria, por ejemplo por efecto térmico, para efectuar un salto EG hasta llegar a
ocupar estados energéticos vacíos en el fondo de la banda de conducción y de esta
forma iniciar un proceso de conducción.
En los semiconductores reales el diagrama E-k es...