Leccion 1

LECCIÓN 1
INTRODUCCIÓN A LAS PROPIEDADES DE TRANSPORTE DE LOS SEMICONDUCTORES: TEORÍA SEMICLÁSICA


1.-INTRODUCCIÓN

Todos los dispositivos electrónicos están hechos de un tipo especial de materiales llamados semiconductores. El origen del nombre está en el hecho de que su conductividad eléctrica tiene valores intermedios entre los de los aislantes y los de los metales. La resistividadde un metal es del orden de 10-6cm. Un material se considera aislante cuando su resistividad es superior a 1010cm. Pues bien, los semiconductores pueden tener resistividades entre 10-3 y 106cm, con la particularidad de que dicha resistividad puede controlarse añadiendo pequeñas cantidades de impurezas, lo que los convierte en materiales muy versátiles. Los materiales semiconductores de usocorriente en la industria electrónica son elementos como el silicio (Si) o el germanio (Ge) o compuestos binarios como el arseniuro de galio (GaAs) o el seleniuro de zinc (ZnSe).

Si nos fijamos en el sistema periódico, podemos ver que es lo que tienen en común estos materiales. El silicio y el germanio pertenecen al grupo IVB, lo que significa que tienen cuatro electrones en su última capa. Elarseniuro de galio (como otros compuestos III-V) está formado por un elemento del grupo IIIB (tres electrones en su última capa) y otro del grupo VB (cinco electrones en su última capa), con lo que el número medio de electrones por átomo sigue siendo cuatro. Igual ocurre con los compuestos II-VI, como el sulfuro de cadmio (CdS) o el seleniuro de zinc (ZnSe). El hecho de que en todos ellos hayacuatro electrones por átomo está relacionado, como veremos, con el tipo de enlace químico, que es fundamentalmente covalente en los materiales semiconductores.

En los semiconductores binarios el enlace tiene una componente iónica tanto mayor cuanto mas alejados en el sistema periódico se encuentran los elementos que los forman. Por otra parte, y relacionado con lo anterior, todos estosmateriales son sólidos cristalinos, es decir, sólidos en los que los átomos están ordenados periódicamente en el espacio. Así, para introducir las propiedades de los semiconductores, revisaremos los conceptos de estructura cristalina y enlace químico.
2.- ESTRUCTURA CRISTALINA DE ALGUNOS SEMICONDUCTORES

Los semiconductores del grupo IVB, como el silicio y el germanio tienen la mismaestructura cristalina que el diamante. En dicha estructura cada átomo se encuentra en el centro de un tetraedro formado por otros cuatro átomos. Como veremos en el siguiente punto, ello es debido a la naturaleza puramente covalente del enlace químico en esos materiales. La figura 5 muestra la estructura del diamante (idéntica a la del Si y el Ge). Vemos que, igual que en la estructura del clorurosódico, los átomos están en los vértices y en los centros de las caras de un cubo (se trata de una estructura cúbica centrada en caras). Los semiconductores compuestos binarios III-V y muchos de los II-VI tienen una estructura similar, que se llama estructura zinc-blenda, en la que las posiciones atómicas son las mismas pero en la red cristalina se van alternando los átomos de cada tipo, de maneraque, por ejemplo, cada átomo de galio (en el arseniuro de galio) siempre está en el centro de un tetraedro formado por cuatro átomos de arsénico y cada átomo de arsénico está en el centro de un tetraedro formado por cuatro átomos de galio.

3.- ENLACE QUÍMICO Y ESTRUCTURA CRISTALINA

El concepto de enlace químico en los sólidos describe la interacción mutua entre los electrones de valencia detodos los átomos que forman el sólido. Los factores que determinan la naturaleza del enlace son: la configuración electrónica de los propios átomos (número de electrones de la capa exterior , simetría de los estados ocupados) el entorno del átomo en la red cristalina (tipo, número y disposición de los próximos vecinos). Recordemos que en los átomos aislados los electrones se distribuyen en...