Semiconductores

Diagramas de Energía a 0 K según Comportamiento Eléctrico
Banda de conducción vacía Intervalo prohibido de energía Banda de Valencia Estados vacíos Estados llenos Banda de conducción vacía Banda de conducción vacía Intervalo prohibido de energía Banda de Valencia llena Banda de Valencia llena Banda de conducción vacía

EF

Eg

Intervalo prohibido de energía

EF

Banda de Valencia llena(a)

(b)

(c)

(d)

a) b) c) d)

Metales: Cu, Ag, Au (1 ē de valencia) Metales: Mg Aisladores: Eg > 4 eV Semiconductores: Eg < 4eV
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Efecto de la temperatura sobre la resistividad en metales y aleaciones
El aumento de energía térmica de la T, aumenta las vibraciones locales de los iones en sus posiciones de la red cristalina ⇒ Disminuye el camino libre medio de los electrones através de la red ⇒ Aumento de resistividad
ρT = ρ0(1 + aΔT) a = coeficiente de resistividad térmica
Resistividad eléctrica en función de la T para Cu y aleaciones Cu-Ni. Las contribuciones térmica, de las impurezas y de la deformación se Indican a -100 °C.

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Influencia de las impurezas…
La presencia de impurezas o elementos de aleación produce deformación de la red cristalina ⇒Disminuye el camino libre medio de los electrones a través de la red ⇒ Aumento de resistividad
ρI = bfa(1-fa) b = Cte. Independiente de la composición fa = fracción atómica de impurezas
Resistividad eléctrica a T ambiente en función de la composición para aleaciones de Cu-Ni.

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Semiconductores
Semiconductor intrínseco – Un semiconductor en el cual las propiedades son controladas por el elementoo compuesto y no por dopantes o impurezas. Semiconductor extrínseco – Un semiconductor preparado por la adición de dopantes, lo cuales determinan el número y tipo de portadores de carga. Dopaje – Adición de una cantidad controlada de otros elementos para aumentar el número de portadores de carga en un semiconductor. Recombinación radiactiva – Recombinación de huecos y electrones que producenemisión de luz; lo cual ocurre en materiales con brecha de energía directa.

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Semiconductores intrínsecos
Comportamiento eléctrico se basa en la estructura electrónica inherente al material puro. σ » 10-6 – 104 W-1m-1 Eg < 2 eV

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6

Semiconductores intrínsecos

Cuando se aplica voltaje a un semiconductor, los electrones se mueven a través de la banda de conducción, mientras que loshuecos se mueven a través de la banda de valencia en la dirección opuesta.

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Distribución de electrones y uecos en las banda de valencia y de conducción

(a) en el cero absoluto; (b) a temperatura elevada.

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Conductividad intrínseca
La excitación térmica de electrones a la banda de conducción produce huecos en la banda de valencia 2 tipos de portadores de carga: σ = nqe μ e + pqe μh En los SC intrínsecos n=p: => σ = nqe ( μ e + μ h ) = pqe ( μ e + μ h ) ⎛ − Eg ⎞ ⎜ Dependencia de la T: ⎜ 2k T ⎟ ⎟ B

σ (T ) = σ 0 (T )e⎝

⎠

σ 0 (T ) = n0 ( μ e + μ h )T
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3

2

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Conductividad eléctrica vs temperatura para semiconductores intrínsecos comparadoscon metales. Notar el quiebre en la escala del eje Y.

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Semiconductores extrínsecos
Resultan de agregar “impurezas” a los SC intrínsecos:
SC intrínseco + Dopado (ppm) = SC extrínseco

De esta forma se puede aumentar en varios órdenes de magnitud la conductividad (por huecos o por electrones). ¿Cómo se hace? ¿Qué tipo de “impurezas”?
Portadores de carga negativos: TIPO-n Portadores decarga positivos: TIPO-p

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… en la Tabla Periódica

Energía de Fermi: determina el portador dominante Tipo n: EF > Eg/2 Tipo p: EF < Eg/2
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Semiconductores tipo n

Cuando un átomo dopante con valencia mayor que cuatro se adiciona a Silicio, un electrón extra se introduce y un estado de energía donante se crea en la brecha de energía. Ahora los electrones son fácilmente excitados...