Semiconductores_j Tisza Clase Inicial Modificado

CURSO DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

Profesor :Ing. Juan F. Tisza Contreras

DESCUBRIMIENTO DE LOS SEMICONDUCTORES Y PRIMERAS APLICACIONES

Programa de búsqueda para sustituir los conmutadores electromecánicos con otros basados en semiconductores.

1936 Bell T. Laboratories

Propone una teoría de bandas del sólido y el concepto de impurezas donadoras y aceptoras.

1931 A. Wilson

Concepto de hueco como quasi-partícula de carga positiva1931 W. Heisenberg

Postula que la resistividad de los semiconductores depende de T1903 J. Koenigsberg

Descubre que la corriente eléctrica en los metales es debida al movimiento de los electrones

1901 V. E. Riecke

Descubrimiento del electrón1897 J.J. Thomson

Primer diodo de vacío 1874 F. Braun

Descubre que la conductividad de algunos materiales aumenta con T1833 M. Faraday

Introduce la palabra “semiconductor”1782 A. Volta

Primer fotodiodo basado en la unión p/n de silicio 1940

Shockley: dispositivo amplificador basado en semiconductores 1939

Primera radio de transistor1948

Invención del transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley )1947

Western Electric: primer transistor comercial (amplificador para auriculares para sordos)

1951

MARZO-2013

2

ING. JUAN F. TISZA C.

1956

1956

1956

1956

1956 Bardeen, Brattain e Shockley reciben el premio Nobel por la descubrimiento del transistor.

MARZO-2013

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ING. JUAN F. TISZA C.

¡Completar estedesarrollo de la evolución de los circuitos electrónicos e integrados !!!! ( buscar en internet)

…………………………………………………………………………..

MATERIALES SEMICONDUCTORES

Diferencias conductor – semiconductor Semiconductores. Conducción intrínseca y

extrínseca Modelo de bandas de energía Ley de acción de masas Ley de la neutralidad eléctrica Corrientes de desplazamiento Corrientes de difusión

MARZO-2013 Más

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ING. JUAN F. TISZA C.

DIFERENCIAS CONDUCTOR – SEMICONDUCTOR

Influencia de la temperatura en la resistencia

MARZO-2013

108 (m)-1

Cu

s

T

Efecto HallFotoresistencia

T

106 (m)-1

s

Ge

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ING. JUAN F. TISZA C.

ESTRUCTURA DE UN METAL

MARZO-2013

+

+ + + + +

+

+ + + +

+

+

++ +

+ + + + +

+

+ + + +

+

+

++ +

+ + + +

+

+ + + +

+

+

++ +

1029 e- libres/m3

7

ING. JUAN F. TISZA C.

ESTRUCTURA DE UN SEMICONDUCTOR

MARZO-2013

8

ING. JUAN F. TISZA C.

VARIACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD POR ILUMINACIÓN

MARZO-2013

luz

Frecuencia radiaciónEnergía de los fotones

Fot

ocon

duct

ivid

ad d

el G

eA

9

ING. JUAN F. TISZA C.

SEMICONDUCTORES. CONDUCCIÓN INTRÍNSECA

MARZO-2013

T = 0 K

A 300 K: 1e– cada 109 átomos, 1019 e–/m3

T 0 K

rE

GeConcentración de e-: (n)

Concentración de h : (p)

n = p

11

ING. JUAN F. TISZA C.

SEMICONDUCTORES. CONDUCCIÓN EXTRÍNSECA

MARZO-2013

e– poco ligado (0.03 -0.1 eV)

e– ocupa el hueco (0.04 -0.12 eV)

Ga

Átomo donador P,As,Sb: (ND)

As

tipo NrE

Átomo aceptor B,Al,Ga,In: (NA)

tipo P

Portadores mayoritarios: n 1022/m3

Portadores minoritarios: p 1016/m3

Portadores mayoritarios: p 1022/m3

Portadores minoritarios: n 1016/m3

12

ING. JUAN F. TISZA C.

DONADORES Y ACEPTORES PARA EL SILICIO

MARZO-2013

1

H1,008

2

He4,003

3

Li6,941

4

Be9,012

5

B10,811

6

C12,011

7

N14,007

8

O15,999

9

F18,998

10

Ne20,183

11

Na22,990

12

Mg24,305

13

Al26,982

14

Si28,086

15

P30,974

16

S32,064

17

Cl35,453

18

Ar39,948

19

K39,10

20

Ca40,08

...

30

Zn65,37

31

Ga69,72

32

Ge72,59

33

As74,92

34

Se78,96

35

Br79,91

36

Kr83,80

37

Rb85,47

38

Sr87,62

...

48

Cd112,40

49

In114,82

50

Sn118,89

51

Sb121,75

52

Te127,60

53

I126,90

54

Xe131,30

55

Cs132,91

56

Ba137,33

...

80

Hg200,59

81

Tl204,37

82

Pb207,19

83

Bi208,98

84

Po(210)

85

At(210)

86

Rn(222)

13

ING. JUAN F. TISZA C.

DONADORES Y ACEPTORES PARA EL GERMANIO

MARZO-2013

1

H1,008

2

He4,003

3

Li6,941

4

Be9,012

5

B10,811

6

C12,011

7

N14,007

8

O15,999

9

F18,998

10

Ne20,183

11

Na22,990

12

Mg24,305

13

Al26,982

14

Si28,086

15

P30,974

16

S32,064

17

Cl35,453

18

Ar39,948

19

K39,10

20

Ca40,08

...

30

Zn65,37

31

Ga69,72

32

Ge72,59

33

As74,92

34

Se78,96

35

Br79,91

36

Kr83,80

37

Rb85,47

38

Sr87,62

...

48

Cd112,40

49

In114,82

50

Sn118,89

51

Sb121,75

52

Te127,60

53

I126,90

54

Xe131,30

55

Cs132,91

56

Ba137,33

...

80

Hg200,59

81

Tl204,37

82

Pb207,19

83

Bi208,98

84

Po(210)

85

At(210)

86

Rn(222)

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ING. JUAN F. TISZA C.

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA

MARZO-2013

Estados o niveles de energía permitidos

EN

ER

GÍA

DE

L e

-

+p

Hidrógeno

+6

6Carbono: 1s2 2s2 2p2

aislante

14Silicio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

32Germanio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s24p2

semiconductores

50Estaño: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s24p64d105s25p2

conductor

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ING. JUAN F. TISZA C.

MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA

MARZO-2013

X3 X2 X1

G raf i t o Á tomos aisladosD iamante

2s²

2p²

N iveles vacíos

N iveles ocupados

d

E

BAND APRO H IBIDA

BAN DAD E

C O ND U C C IÓ N

BAN D AD E

VALENC IA

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ING. JUAN F. TISZA C.

MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA (CONTINUACIÓN)

MARZO-2013

BV

BC

Eg = 10 eV

BV

BC

Eg = 1 eV

BV

BC

Aislante Semiconductor Conductor

Eg(Si) = 1,12 eV

Eg(Ge) = 0,66 eVT = 300 K

17

ING. JUAN F. TISZA C.

MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA. CONDUCCIÓN INTRÍNSECA

MARZO-2013

Eg (Si) 1,1 eV

Eg (Ge) 0,7 eV

Eg

E

T = 0 K

Banda de valencia

Banda prohibida

Banda de conducción

n = p = ni

T > 0 K

18

ING. JUAN F. TISZA C.

MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA. CONDUCCIÓN EXTRÍNSECA (TIPO N)

MARZO-2013

0.01 eV

T > 0 K

Nivel donante

T = 0 K

E

Ión de impureza donante

19

ING. JUAN F. TISZA C.

MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA. CONDUCCIÓN EXTRÍNSECA (TIPO P)

MARZO-2013

Nivel aceptor

E

0,01 eV

T = 0 K T > 0 K Ión de impureza aceptora

Huecos en la BV

20

ING. JUAN F. TISZA C.

LEY DE ACCIÓN DE MASAS

ni(Ge, 300 K) = 2,4·1019 port./m3

ni(Si, 300 K) = 1,5·1016 port./m3

MARZO-2013

n·p = ni2n·p = ni

2

kT2

E

2

3

i

g

eAT)t(fn

n: número de electrones por unidad de volumenp: número de huecos por unidad de volumenni: concentración intrínseca

21

ING. JUAN F. TISZA C.

LEY DE LA NEUTRALIDAD ELÉCTRICA

NA + n = ND + p

Intrínseco NA = ND = 0 p = n =

ni

Tipo n NA = 0; n ND

Tipo p ND = 0; p NA

MARZO-2013

D

2i

Nn

p

A

2i

Nn

n

23

ING. JUAN F. TISZA C.

CONCENTRACIONES DE PORTADORES

MARZO-2013

NA + n = p ; p >>>>> n; NA p

P N

Iones de impureza aceptora INMÓVIL

Hueco dejado por electrón MÓVIL

Electrón térmico MÓVIL

Hueco térmico MÓVIL

ND + p = n ; n >>>>> p; ND n

Iones de impureza dadora

INMÓVIL

Electrón liberado por dador MÓVIL

Electrón térmico MÓVIL

Hueco térmico MÓVIL

24

ING. JUAN F. TISZA C.

PR

OPIE

DA

DES

DEL

GER

MA

NIO

Y

EL

SIL

ICIO

( C

AM

BIA

R D

E SIS

TEM

A M

KS A

SIS

TEM

A C

GS) MARZO-2013

Ge SiNúmero atómico 32 14Masa atómica (g/mol) 72,6 28,08Radio atómico (nm) 0,137 0,132Estructura electrónica [Ar]4s23d104p2 [Ne]3s23p2

Densidad kg/m3 5323 2330Temperatura de fusión 937,4 ºC 1410 ºCCalor específico J/kg·ºC 309 677Concentración atómica at/m3 4,42·1028 4,96·1028

Concentración intrínseca (300 K) 2,36·1019 m-3 1,5·1016 m-3

Constante A m-3·K-3/2 1,91·1021 4,92·1021

Anchura banda prohibida (300 K) 0,67 eV 1,1 eVMovilidad electrones (300 K) 0,39 m2/Vs 0,135 m2/VsMovilidad huecos (300 K) 0,182 m2/Vs 0,05 m2/VsResistividad intrínseca (300 K) 0,47 m 2300 mDifusividad electrones 10,1·10-3 m2/s 3,5·10-3 m2/sDifusividad huecos 4,9·10-3 m2/s 1,3·10-3 m2/sPermitividad eléctrica 15,7 12Masa efectiva electrones 0,5 m0 1,1 m0

Masa efectiva huecos 0,37 m0 0,59 m025

CONDUCTIVIDAD DE SEMICONDUCTORES

MARZO-2013

0

5

10

15

20

25

30

250 270 290 310 330 350 370T (K)

Co

nduc

tivid

ad (

S/m

)

Ge

Semiconductor extrínseco

0

1

2

0 100 200 300 400 500T (K)

Co

nduc

tivid

ad

(S/m

)

Si puro

ND=5∙1019 m-3

ND=1020 m-3

A poca temperatura, las impurezas se ionizan

rápidamente.Los portadores procedentes de las

impurezas, ya ionizadas, no aumentan sensiblemente.

A temperaturas altas, la conducción intrínseca se

hace significativa.

26

ING. JUAN F. TISZA C.

CORRIENTES DE DESPLAZAMIENTO

J = Jp + Jn = qe(nn + pp)E = E

= qe(nn + pp)MARZO-2013

Enq)E)(q(nvnqJ nenenn

EpqvpqJ pepp

vn = -nEr r

Jn

rJp

r

vp = pErr

r Eext

27

ING. JUAN F. TISZA C.

CORRIENTES DE DESPLAZAMIENTO EN SC

Intrínsecos

MARZO-2013

p = n = ni

= qe(nn + pp)

= qeni(n + p)

pp >> n qpp

n >> p qnn

n

Extrínsecos

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ING. JUAN F. TISZA C.

CO

RR

IEN

TES D

E D

IFU

SIÓ

N

Ley de Fick

Dn Difusividad de electrones (Dn Si = 3,5·10-3 m2/s)

Dp Difusividad de huecos (Dp Si = 1,31·10-3 m2/s)

MARZO-2013

n = 0

rJdif = -qDn

Relación de Einstein: Tp

p

n

n Vq

kTDD

k (Constante de Boltzmann) = 1,38·10-23 JK-1 VT(300 K) = 25,85 mV

dx

ndn

Ley de Ohm

rJ = -sV

29

ING. JUAN F. TISZA C.

CORRIENTES DE DIFUSIÓN (CONTINUACIÓN)

MARZO-2013

Jn

N

nr

rJn = qeDnn

P

Jp

p

rJp = -qeDpp

r

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ING. JUAN F. TISZA C.

VARIACIÓN DE POTENCIAL EN UN SEMICONDUCTOR CON DOPADO NO UNIFORME Y CON LA PRESENCIA DE UN CAMPO ELECTRICO EXTERNO

MARZO-2013

p = p(x)

x2x1

0 x en circuito abierto Jdif + Jdesp = 0

p(x2)p(x1)

0Eqpdxpd

qD pp

Relación de Einstein: pTpp Vq

kTD

sigue

rE

31

ING. JUAN F. TISZA C.

VARIACIÓN DE POTENCIAL EN UN SEMICONDUCTOR CON DOPADO NO UNIFORME (CONTINUACIÓN)

MARZO-2013

dVEdxpdp

VT VT(300 K) = 25.85 mV

p 2

1T12 p

plnV V- V T

12

V

VV

21 epp

n 2

1T12 n

nlnV V- V T

12

V

VV

21 enn

Ejemplo: p1 = 1016 huecos/m3; p2 = 1022 huecos/m3

Tema siguiente32

ING. JUAN F. TISZA C.

CONTINUARÁ…………..

MARZO-2013ING. JUAN F. TISZA C.

33

EFECTO HALL EN LOS SEMICONDUCTORES

MARZO-2013

VH

Jva

F

B

-VH

Jva

F

B

En semiconductores: silicio dopado con galio

En conductores

34

ING. JUAN F. TISZA C.