Semiconductores

TEMA 3
TEORIA DE
SEMICONDUCTORES

PARTÍCULAS CARGADAS
8ÁTOMO
Menor partícula de un elemento químico que posee sus propiedades
4ELECTRÓN
Partícula elemental del átomo cargada negativamente
Masa: m = 9,11⋅ 10-31 Kg
Carga: q = 1,6⋅ 10-19 Culomb (C)
8ION
Partícula cargada que se origina cuando un átomo pierde o gana
electrones. Su carga es igual al número de electrones perdidos
(ion positivo) oganados (ion negativo)
8HUECO
Ausencia de un electrón en un enlace covalente. Su carga asociada
es la del electrón con signo positivo

1

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA

+
n (capa) = 1, 2, 3, .....
0 => orbital s
1=> orbital p
l (tipo de orbital) = 0 ... (n-1)
2 => orbital d
NÚMEROS CUÁNTICOS
3 => orbital f
m (orientación) = 0, ±1, ±2, ..., ±l
s (giro) = +1/2, -1/2

4 PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI
En unsistema electrónico dos electrones no pueden tener los
cuatro números cuánticos iguales
4 NÚMERO ATÓMICO
Da el número de electrones que giran en torno al núcleo

CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DEL GRUPO IVA
C (nº atómico = 6) -> Aislante en forma cristalina (diamante)
Si (nº atómico = 14) -> Semiconductor
Ge (nº atómico = 32) -> Semiconductor
Sn (nº atómico = 50) -> Metal

2

1s2
2s2 2p6
3s2 3p6 3d10
4s24p6 4d10 4f14
5s2 5p6 5d10 .....
.....
......
C (nº atómico = 6) => 1s2
Si (nº atómico = 14) => 1s2
Ge (nº atómico = 32) => 1s2
Sn (nº atómico = 50) => 1s2

2s2
2s2
2s2
2s2

2p2
2p6 3s2 3p2
2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2
2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p2

• Los electrones de las capas interiores están fuertemente unidos al
átomo y no pueden desligarse fácilmente

• Los átomos que tienen completassus últimas capas son muy estables

• Átomos con configuraciones muy estables son también aquellos que
tienen 8 electrones en la última capa

• Los electrones de la capa más externa se conocen como electrones
de valencia

3

TEORÍA DE LAS BANDAS DE
ENERGÍA
4 SÓLIDO
Cuerpo que tiene forma y volumen constante
4 CRISTAL
Sólido cuyas partículas están dispuestas regular y periódicamente

DE LOSELECTRONES DE LA ÚLTIMA CAPA DEPENDEN LAS
PROPIEDADES QUÍMICAS Y ÓPTICAS DE LOS MATERIALES

CRISTAL DE N ÁTOMOS DE ELEMENTO GRUPO IVA
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 no afectados
d1

d2

d3

Espacio
interatómico

4

AISLANTES, SEMICONDUCTORES Y
METALESBanda de
conducción

EG ≈ 6eV

Banda
prohibida
Banda de
valencia
AISLANTE

Electrones Banda de
libres
conducción

Banda de
conducción

≈ 1eV
Huecos

Banda de
valencia

SEMICONDUCTOR

Banda de
valencia
METAL

4 ELECTRÓNVOLTIO: 1eV = 1,6 ⋅ 10-19 Julios
Energía que adquiere la carga de un electrón cuando se le aplica 1
voltio. q ⋅ V = 1,6 ⋅ 10-19 C ⋅ 1 V = 1 eV = 1,6 ⋅ 10-19 J

* Semiconductores másutilizados:
Silicio => EG = 1,21 eV a 0 ºK
Germanio => EG = 0,785 eV a 0 ºK
* A 0 ºK los semiconductores son aislantes
Por energía térmica (intrínsecos)
* Conducción en semiconductores
Por impurezas (extrínsecos)
EG (Si) = 1,21 - 3,6 ⋅ 10-4 T (eV)
EG (Ge) = 0,785 - 2,23 ⋅ 10-4 T (eV)
A temperatura ambiente T = 300 ºK: EG (Si) = 1,1 eV
EG (Ge) = 0,72 eV

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MOVILIDAD
Modelo de cargas de un metal
4Región que contiene una red periódica tridimensional de iones
positivos pesados fuertemente enlazados, rodeados de una nube
de gas electrónico

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

4 Al aplicar un campo eléctrico => a = F/m = q ⋅ E/m
Hasta que se llega a un equilibrio con la energía perdida en las
colisiones, alcanzando una velocidad media constante:
µ => movilidad electrones [m2/V ⋅ s]vmedia = µ ⋅ E
Velocidad
Velocidad
media (v)
tiempo
4 Recorrido libre medio: Distancia media entre colisiones
4 CORRIENTE: Flujo de cargas

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DENSIDAD DE CORRIENTE
T: tiempo que tarda e- en recorrer L => T= L/v

A

N
L

Nº de e- que atraviesan sección A
por unidad de tiempo = N/T

N ⋅q⋅v
⎛ N⎞
[ A]
I = ⎜ ⎟ ⋅q =
⎝ T⎠
L

n=

[ ]

I N ⋅q⋅v A
=
m2
A
A⋅ L

N
=> concentración de e- por unidad de...