Trabajo Semiconductores Ensayo de Materiales

INGENIERIA CIVIL GONZAGA DE ICA

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS

INTRODUCCION La mayor parte de los dispositivos electrónicos modernos están fabricados a partir partir de semico semicondu nducto ctores res.. Para Para compre comprende nderr el funcio funcionam namien iento to de estos estos dispositivos cuando se insertan en un circuito eléctrico, es necesario conocer el comportamiento de los componentes desde un punto de vista físico. Por ello, en este tema se presentan las propiedades y características fundamentales de este tipo de materiales. Si los conductores son materiales que disponen de electrones libres y los aislantes carecen de ellos, los semiconductores se encuentran en una situación inte interm rmed edia ia:: a la temp temper erat atur ura a de 0  se comp compor orta tan n como como aisl aislan ante tes, s, pero pero medi median ante te una una apor aporta taci ción ón de ener ener!í !ía a pued puede e modi modific ficar arse se esta esta situ situac ación ión,, adquiriendo un comportamiento más cercano al de los conductores. Los

materia riales

semico iconductores res

de

uso

com"n

en

la tecnolo!ía

microelectrónica son el silicio, el !ermanio y el arseniuro de !alio. Se trata de

elem elemen ento toss del del !rup !rupo o #$ de la tabl tabla a peri periód ódic ica, a, o bien bien comb combin inac acio ione ness de elementos de los !rupos ### y $. %e todos ellos, el más empleado actualmente es el silicio, por lo que la discusión en este tema va a estar centrada en dic&o elemento. 'o obstante la !ran mayoría de lo aquí e(puesto puede aplicarse a cualquier semiconductor. semiconductor. Los !randes avances de la &umanidad &an sido posibles !racias a un material o a un con)unto de ellos. Para e)emplificar, citemos al!unos de los avances más espectaculares de los a*os recientes: los transistores, el rayo láser o la fibra óptica.

1 ENSAYO DE MATERIALES SEMICONDUCTORES



SEMICONDUCTORES +n semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla si!uiente.

Elemento

Grupo

Electrones la última capa

d

## -

 e/

l, 1a, -, #n

### 

2 e/

Si, 1e

#$ 

3 e/

P, s, Sb

$

4 e/

Se, 5e, 6S7

$# 

8 e/

en

9l elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los !rupos ## y ### con los de los !rupos $# y $ respectivamente 6s1a, P#n, s1al, 5ed, Sed y Sd7. %e un tiempo a esta parte se &a comenado a emplear también el aufre. La característica com"n a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una confi!uración electrónica s;p;. CONDUCCIÓN ELECTRICA




Para que la conducción de la electricidad sea posible es necesario que &aya electrones que no estén li!ados a un enlace determinado 6 banda de valencia7, sino que sean capaces de desplaarse por el cristal 6 banda de conducción7. La separación entre la banda de valencia y la de conducción se llama !anda pro"i!ida, porque en ella no puede &aber portadores de corriente. sí podemos considerar tres situaciones: •

Los metales, en los que ambas bandas de ener!ía se superponen, son conductores.

•

Los aislantes 6o dieléctricos7, en los que la diferencia e(istente entre las bandas de ener!ía, del orden de 8 e$ impide, en condiciones normales el salto de los electrones.

•

Los semiconductores, en los que el salto de ener!ía es peque*o, del orden de < e$, por lo que suministrando ener!ía pueden conducir la electricidad= pero además, su conductividad puede re!ularse, puesto que bastará disminuir la ener!ía aportada para que sea menor el n"mero de electrones que salte a la banda de conducción= cosa que no puede &acerse con los metales, cuya conductividad es constante, o más propiamente, poco variable con la temperatura.

TI#OS DE SEMICONDUCTORES $% Semiconductores intr&nsecos  +n cristal de silicio forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la fi!ura representados en el plano por simplicidad. uando el cristal se encuentra a temperatura ambiente, al!unos electrones pueden, absorbiendo la ener!ía necesaria, saltar a la banda de conducción, de)ando el correspondiente "ueco en la banda de valencia 6<7. Las ener!ías requeridas, a temperatura ambiente son de <,< y 0,8> e$ para el silicio y el !ermanio respectivamente. 3 ENSAYO DE MATERIALES SEMICONDUCTORES



?bviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado ener!ético correspondiente a la banda de conducción, a un &ueco en la banda de valencia liberando ener!ía.  este fenómeno, se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e/&, y de recombinación se i!ualan, de modo que la concentración !lobal de electrones y &uecos permanece invariable. Siendo @n@ la concentración de electrones 6car!as ne!ativas7 y @p@ la concentración de &uecos 6car!as positivas7, se cumple que: 'i A n A p

Semiconductore intr!neco

Siendo ni la concentraci'n intr&nseca del semiconductor, función e(clusiva de la temperatura. Si se somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplaamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los &uecos pró(imos 67, ori!inando una corriente de "uecos en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y ma!nitud es muy inferior a la de la banda de conducción. (% Semiconductores e)tr&nsecos  " ENSAYO DE MATERIALES SEMICONDUCTORES



Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le a*ade un peque*o porcenta)e de impure*as, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina e(trínseco, y se dice que está dopado. 9videntemente, las impureas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio. 

Semiconductor tipo N  +n Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado a*adiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el n"mero de portadores de car!a libres 6en este caso ne!ativas o electrones7. uando el material dopante es a*adido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. 9ste tipo de a!ente dopante es también conocido como material donante ya que da al!unos de sus electrones. 9l propósito del dopa)e tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopa)e tipo n considérese el caso del silicio 6Si7. Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del !rupo $ de la tabla periódica 6e). fósforo 6P7, arsénico 6s7 o antimonio 6Sb77, se incorpora a la red cristalina en el lu!ar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlaado. 9ste electrón e(tra da como resultado la formación de @electrones libres@, el n"mero de electrones en el material supera ampliamente el n"mero de &uecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los &uecos son los portadores minoritarios.  causa de que los átomos con cinco

electrones de valencia tienen un electrón e(tra que @dar@, son llamados átomos donadores. 'ótese que cada electrón libre en el # ENSAYO DE MATERIALES SEMICONDUCTORES



semiconductor nunca está le)os de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo ' !eneralmente tiene una car!a eléctrica neta final de cero. 

Semiconductor tipo #  +n Semiconductor tipo # se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, a*adiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el n"mero de portadores de car!a libres 6en este caso positivos o huecos7. uando el material dopante es a*adido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. 9ste a!ente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que &an perdido un electrón son conocidos como "uecos. 9l propósito del dopa)e tipo P es el de crear abundancia de &uecos. 9n el caso del silicio, un átomo trivalente 6típicamente del !rupo ### de la tabla periódica7 de los átomos vecinos se le une completando así sus cuatro enlaces. sí los dopantes crean los @&uecos@. ada &ueco está asociado con un ion cercano car!ado ne!ativamente, por lo que el semiconductor se mantiene eléctricamente neutro en !eneral. 'o obstante, cuando cada &ueco se &a desplaado por la red, un protón del átomo situado en la posición del &ueco se ve @e(puesto@ y en breve se ve equilibrado por un electrón. Por esta raón un &ueco se comporta como una cierta car!a positiva. uando un n"mero suficiente de aceptores son a*adidos, los &uecos superan ampliamente la e(citación térmica de los electrones. sí, los &uecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes aules

6tipo ##b7, que contienen impureas de boro 6-7, son un e)emplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural. $ ENSAYO DE MATERIALES SEMICONDUCTORES



SEMICONDUCTORES EST+N EN TODAS LAS #ARTES Los semiconductores ayudan a muc&os productos funcionar: o

utoBnti/cerrar frenos

o

omputadoras

o

Satélites

o

Cue!os de video

o

5eléfonos portátiles

o

Dáquinas de fa(

o

5eléfonos

o

9stéreos

o

Luces de tráfico 6semáforos7

o

paratos auditivos

% ENSAYO DE MATERIALES SEMICONDUCTORES



E,ECTO -ALL %a una confirmación e(perimental de la conductividad en los semiconductores a la ve que permite medir el tipo de car!a de los portadores y su concentración. %e su e(perimento se!"n varios parámetros nos da información sobre el tipo de semiconductor que es. #RO#IEDADES +na propiedad importante en los semiconductores es que posibilita el poder modificar su resistividad de manera controlada entre már!enes muy amplios. La raón primera de este comportamiento diferente reside en su estructura atómica, básicamente en la distancia interatómica de sus átomos en la red así como el tipo de enlace entre ellos. sí el enlace atómico depende del n"mero de electrones de valencia de los átomos formantes del enlace y de la electrone!atividad de los mismos. Los electrones de la capa e(terna o electrones de valencia son los que determinan y forman los enlaces y los que en su momento pueden determinar & ENSAYO DE MATERIALES SEMICONDUCTORES



el carácter conductivo o no de él. 9n un semiconductor formado por dos elementos químicos diferentes 6rseniuro de 1alio7 la asimetría conlleva en !eneral una cierta pérdida de carácter covalente puro, en el sentido de desplaar el centro de !ravedad de la car!a &acia uno u otro átomo. 9l parámetro que determina este desplaamiento es la electrone!atividad de los átomos

constituyentes.

uanto

más

diferente

sea,

mayor

será

el

desplaamiento y el enlace será más iónico que covalente. La estructura cristalina de los semiconductores es en !eneral comple)a aunque puede visualiarse mediante superposición de estructuras más sencillas. La estructura más com"n es la del diamante, com"n a los semiconductores Si y 1e, y la del Einc/-lenda que es la del rseniuro de 1alio. 9n estas redes cristalinas cada átomo se encuentra unido a otros cuatro mediante enlaces covalentes con simetría tetraédrica. Se requiere que posean unas estructuras cristalinas "nicas, es decir, que sea monocristal. %ependiendo de cómo se obten!an éste puede presentarse en forma de monocristal, policristal y amorfo. 9l comportamiento eléctrico de los materiales semiconductores 6resistividad y movilidad7 así como su funcionamiento depende de la estructura cristalina del material de base, siendo imprescindible la forma monocristalina cuando se requiere la fabricación de circuitos inte!rados y dispositivos electroópticos 6láser, leds7. 9n lo referente al transporte de car!a en semiconductores el fenómeno de las colisiones de los portadores con otros portadores, n"cleos, iones y vibraciones de la red, disminuye la movilidad. 9llo !uarda relación con el parámetro de la resistividad 6o conductividad7 definido como la facilidad para la conducción eléctrica, depende intrínsecamente del material en cuestión y no de su !eometría. sí pues en los fenómenos de transporte en semiconductores y a diferencia de los metales, la conducción se debe a dos tipos de portadores, &uecos y electrones. A#LICACIONES

' ENSAYO DE MATERIALES SEMICONDUCTORES



Las aplicaciones de los semiconductores se dan en diodos, transistores y termisores principalmente. Diodos l unir un semiconductor ' con otro P se produce un fenómeno de difusión de car!as en la ona de contacto, que crea una barrera de potencial que impide a los demás electrones de la ona ' saturar los restantes &uecos positivos de la ona. Si unimos un !enerador como se indica en la fi!ura los electrones libres de la ona ' son repelidos por el polo ne!ativo y los &uecos de la ona P por el polo positivo, &acia la re!ión de transición, que atraviesan. La corriente pasa. 'o ocurriría esto si la cone(ión se &ubiera &ec&o con la polaridad invertida. 9l dispositivo es un Fdiodo semiconductorG y act"a como rectificador de corriente. Transistores +n transistor está constituido por dos onas: <./ %os ' separadas por una P 6transistor 'P'7, esta disposición proporciona al con)unto unas propiedades particulares, en especial amplificadoras. ./ %os P separadas por una ' 6transistor P'P7, permiten actuar sobre la intensidad de la corriente electrónica que pasa entre dos cristales semiconductores del mismo tipo, por medio de un electrodo metálico aislado por una del!ada capa de ó(ido. +n transmisor se emplea, sobre todo, como amplificador y también en ordenadores, como interruptor rápido de la corriente. Termisores

1( ENSAYO DE MATERIALES SEMICONDUCTORES



Se llama así a los semiconductores que son sensibles a los cambios de temperatura, o me)or, a aquellos en que las variaciones tienen, frente a la composición, un !ran valor. Los materiales más usados son ó(idos de obalto 6o?7, de Hierro 6Ie?7, de Da!nesio 6D!?7, Dan!aneso 6Dn?7, 'íquel 6'i?7 y 5itanio 65i?7. Se utilian en forma de bola, disco o varilla, indicando con esto la forma en que se separa el material base del termisor. 9n el de bola se aplica la mecla de ó(ido en forma viscosa entre dos &ilos paralelos de Platino con una peque*a !otita, apro(imadamente < mm. de diámetro y por y por cocción queda su)eta a los &ilos. uando se usan en forma de discos o varillas se preparan por sintetiado. Sus aplicaciones son para medir la temperatura, medidas de vacío y en los circuitos de comunicaciones como re!uladores de tensión y limitadores de volumen.



L.seres de semiconductores%/ Los láseres de semiconductores son los más compactos, y suelen estar formados por una unión entre capas de semiconductores con diferentes propiedades de conducción eléctrica. La cavidad del láser se mantiene confinada en la ona de la unión mediante dos límites reflectantes. 9l arseniuro de !alio es el semiconductor más usado. Los láseres de semiconductores se bombean mediante la aplicación directa de corriente eléctrica a la unión, y pueden funcionar en modo J con una eficiencia superior al 40K. Se &a dise*ado un método que permite un uso de la ener!ía a"n más eficiente. #mplica el monta)e vertical de láseres min"sculos, con una densidad superior al millón por centímetro cuadrado. 9ntre los usos más comunes de los láseres de semiconductores están los reproductores de discos compactos y las impresoras láser.



Los dispositivos semiconductores tienen muc&as aplicaciones en la in!eniería eléctrica. Los "ltimos avances de la in!eniería &an producido peque*os C"ips semiconductores que contienen cientos de miles de transistores. 9stos c&ips &an &ec&o posible un enorme !rado de 11

ENSAYO DE MATERIALES SEMICONDUCTORES



miniaturiación en los dispositivos electrónicos. La aplicación más eficiente de este tipo de c&ips es la fabricación de circuitos de semiconductores de metal/ó(ido complementario o D?S, que están formados por pare)as de transistores de canal p y n controladas por un solo circuito. 

'anoestructuras de silicio 6silicio poroso y nanopartículas7. Preparación y caracteriación de materiales semiconductores de amplio



espectro para aplicaciones de alta temperatura. recimiento de nanoestructuras, siliciuros y capas tensadas para su



aplicación en dispositivos electrónicos, optoelectrónicos y sensores. Semiconductores policristalinos y amorfos para su aplicación en



 

dispositivos electrónicos y sensores. Procesos de micromecaniación en silicio. %esarrollo de nuevos precursores or!anometálicos para la deposición de materiales electrónicos.

CONCLUSIONES La importancia que los semiconductores tienen en las tecnolo!ías actuales, microelectrónica, comunicaciones, comunicaciones ópticas y sensores, así como su potencialidad en el futuro, &ace que sea necesario mantener !rupos de investi!ación en estos temas. Se potenciará la investi!ación en materiales directamente relacionado con el Sí que emitan suficiente radiación para ser utiliado como fuente luminosa, así como en materiales de !ap anc&o para aplicaciones a alta temperatura.  corto plao se proponen otro tipo de actuaciones relacionadas con semiconductores policristalinos y amorfos para el desarrollo de dispositivos y sensores. Su potencial aplicación al área de dispositivos que pudieran apoyar el desarrollo de !rupos traba)ando en cristales líquidos y en el área de sensores coloca a estos materiales pró(imos a una posible aplicación. Iinalmente, se observa una actividad creciente en la utiliación de compuestos or!anometálicos como precursores para materiales electrónicos que podrían aplicarse en el área de sensores y dispositivos. 12 ENSAYO DE MATERIALES SEMICONDUCTORES



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