Semiconductores

TEMA 3
TEORIA DE SEMICONDUCTORES
(Guía de clases)

Asignatura: Dispositivos Electrónicos I
Dpto. Tecnología Electrónica

CONTENIDO
PARTÍCULAS CARGADAS
Átomo
Electrón
Ión
Hueco

TEORÍA DE LAS BANDAS DE ENERGÍA

AISLANTES, SEMICONDUCTORES Y METALES

MOVILIDAD
Modelo de cargas de un metal

DENSIDAD DE CORRIENTE

SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
Mecanismo de desplazamiento de unhueco

IMPUREZAS DONADORAS Y ACEPTADORAS
Semiconductor extrínseco tipo n
Semiconductor extrínseco tipo p
Ley de acción de masas

DENSIDAD DE CARGA EN SEMICONDUCTORES

EFECTO HALL

MODULACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD

GENERACIÓN Y RECOMBINACIÓN DE CARGAS
Tiempo de vida medio de un portador

DIFUSIÓN

VARIACIÓN DE POTENCIAL EN UN SEMICONDUCTOR

pg. 1

Teoría de semiconductores. Guíade clases

PARTÍCULAS CARGADAS
Átomo: Menor partícula de un elemento químico que posee sus propiedades.

Electrón: Partícula elemental del átomo cargada negativamente.
Masa: m = 9,11 . 10-31 Kg.
Carga: q = 1,6 . 10-19 culombios

Ión: Partícula cargada que se origina cuando un átomo pierde o gana electrones. Su carga es igual al número
de electrones perdidos (ión positivo) o ganados (iónnegativo).

Hueco: Ausencia de un electrón en un enlace covalente. Su carga asociada es la del electrón con signo +.

TEORÍA DE LAS BANDAS DE ENERGÍA
Sólido: Cuerpo que tiene forma y volumen constantes.

Cristal: Sólido cuyas partículas están dispuestas regular y periódicamente.

El potencial característico de la estructura cristalina es una función periódica en el espacio. Debido alacoplamiento entre las capas más exteriores de electrones de los átomos, la mecánica cuántica determina que
sus niveles de energía están próximos entre sí y forman una banda de energía.

Banda prohibida

Banda conducción
4N estados
2N e0 electrones subcapa p
6N estados
EG
2N e-

Banda
valencia
4N estados
4N electrones

subcapa s
2N estados

Niveles de energía del átomo noafectados
d1

ANOTACIONES

d2

d3

Espacio
interatómico

pg. 2

Teoría de semiconductores. Guía de clases

AISLANTES, SEMICONDUCTORES Y METALES

Banda de
conducción

EG ≈ 6eV

Banda
prohibida
Banda de
valencia

Electrones Banda de
libres
conducción

Banda de
conducción

≈ 1eV
Huecos

Banda de
valencia

Banda de
valencia

SEMICONDUCTOR

AISLANTE

METALSemiconductores prácticos: Silicio (EG = 1,21 eV a 0 ºK), Germanio (EG = 0,785 eV a 0 ºK).
EG (Si) = 1,21 – 3,60 . 10-4 T
EG (Ge) = 0,785 – 2,23 . 10-4 T
A temperatura ambiente T = 300 ºK:

EG (Si) = 1’1 eV y EG (Ge) = 0’72 eV

MOVILIDAD
Modelo de cargas de un metal:
Región que contiene una red periódica tridimensional de iones pesados fuertemente enlazados
rodeados de una nube de “gaselectrónico”.
Al aplicar un campo eléctrico  se cumple la 1ª ley de Newton: a = F/m = q . E/m
Hasta que se llega a un equilibrio con la energía perdida en las colisiones y se llega a una velocidad media
constante (similar a lo que ocurre con el rozamiento): vmedia = µ . E
µ => movilidad de los electrones [m2/V . s]

ANOTACIONES

pg. 3

Teoría de semiconductores. Guía de clases

+
+
++
+
+

+
+
+

+
+
+

+
+
+

Velocidad
Velocidad
media (v)
tiempo

El desplazamiento debido a E se superpone al debido a la agitación térmica.

DENSIDAD DE CORRIENTE
Nº e- que atraviesan sección por unidad de tiempo: N/T
T: tiempo que tarda e- en recorrer L => T = L/v

A

I = (N/T) . q = (N . q . v)/L [Amperios]
J = I/A = (N . q . v)/(A . L) [Amp./m2]

N
L

n= N/(A . L) => concentración de electrones por unidad de volumen [e-/m3]
ρ = n . q => densidad de carga [culomb/m3]
J=n.q.v=ρ.v
J=n.q.v=n.q.µ.E=σ.E
σ = n . q . µ => conductividad [1/(Ω . m)]

Densidad térmica de potencia (efecto Joule) es la potencia disipada por unidad de volumen. La energía se
cede a los iones en los choques:

ANOTACIONES

(V . I)/volumen = (E . L . J . A)/ volumen...