Semiconductores, aisladores y metales

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Semiconductores, aisladores y metales

• Las propiedades eléctricas de metales y
  aisladores son bien conocidas por todos nosotros.
  
• La experiencia cotidiana nos ha enseñado mucho
  acerca de las propiedades eléctricas de estos
  materiales.
• No podemos decir lo mismo de los materiales
  semiconductores.
• Qué sucede cuando conectamos una batería a
  un trozo de Silicio?
• Conducirá electricidad como un metal ó actuará
  igual que un aislador?

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El nombre semiconductor implica que su
conductividad estará entre la de los metales y
los aisladores.
Semiconductores, aisladores y metales

• Conductividad
• smetal 1010 /?-cm
• saislador 10-22 /?-cm

SC
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Bandas electrónicas en los sólidos

• Los electrones en los átomos tienen energías
  cuantificadas, definidas por los números
  cuánticos.
• Dos electrones, sometidos al mismo potencial no
  pueden tener los mismos números cuánticos.
• (principio de exclusión de Pauli)

Banda permitida
Banda prohibida
Banda permitida
Banda prohibida
Banda permitida
1 2 4N
Número de átomos
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Bandas electrónicas en los sólidos

• La diferencia de energía entre los niveles
  menores es tan pequeña que es muy razonable
  considerar cada uno de estos conjuntos como
  bandas continuas de energía, más que considerar
  un enorme número de niveles discretos.
• Cada banda permitida está separada de otra por
  una banda prohibida.
• Los electrones pueden estar sólo en estados
  correspondientes a las bandas permitidas.

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Bandas electrónicas en los sólidos
Banda llena
Banda vacía
Todos los niveles de energía están desocupados.
Todos los niveles de energía están ocupados
Las bandas vacías y llenas no participan de la
conducción eléctrica.
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Bandas electrónicas en los sólidos
Vamos a examinar que cambios en las energías de
los electrones aparecen cuando los átomos se
agrupan para formar un sólido Vamos a usar
modelos simplificados para el análisis. Vamos a
comenzar con la fuerte ligadura de dos átomos de
sodio. El sodio tiene 11 electrones. La
estructura electrónica de un átomo de sodio es
1s22s22p63s.
Si la distancia entre átomos es relativamente
grande, los electrones de un átomo están
separados de los del otro por barreras de
potenciales altas y anchas.
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Bandas electrónicas en los sólidos
Si los átomos se aproximan, decrece tanto el
ancho como la altura de la barrera. Para d a
las condiciones para los electrones en los
niveles inferiores de energía son esencialmente
inalteradas. Pero el estado 3s pertenece a ambos
átomos los electrones 3s pueden moverse de un
átomo al otro.
Si el sistema consiste de N átomos, habrá N
electrones 3s De acuerdo al Principio de
Exclusión de Pauli solamente dos electrones con
diferente espín pueden ocupar el estado 3s
Los electrones exteriores de cada átomo en el
sólido son afectados por los átomos vecinos. El
resultado de esta interacción es que los niveles
de energía de cada átomo en el sólido cristalino
se desdobla para formar una banda de estados de
energía permitidos.
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Bandas de energía de un semiconductor (bajas
temperaturas)

• A bajas temperaturas la banda de valencia está
  llena y la de conducción está vacía.
• Recordar que una banda llena no puede conducir,
  de la misma manera que no lo puede hacer una
  banda vacía.
• A bajas temperaturas los semiconductores no
  conducen, se comportan como aisladores.
• A bajas temperaturas la energía térmica que
  podrían adquirir los electrones más energéticos
  de la banda de valencia es mucho menor que Eg .

Banda de conducción vacía
Banda prohibida Energy gap Eg
Energía de los electrones
Banda de valencia llena
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Conducción electrónica

• Supongamos que algún tipo de energía es provista
  a un electrón en la banda de valencia, tal que
  puede ser promovido a la banda de conducción.
• Si se aplica un campo eléctrico este electrón
  puede responder al mismo.
• Este electrón contribuye a la conducción
  eléctrica y es llamado electrón de conducción.
• A 00K, los electrones están en los niveles de
  menor energía. La banda de valencia es la banda
  de mayor energía llena a esta temperatura.

Banda de conducción vacía
Banda prohibida Energy gap Eg
Banda de valencia llena
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Bandas de energía de un semiconductor (bajas
temperaturas)

• Cuando suficiente energía es dada a un e-
  situado en el top de la banda de valencia ,este
  e- puede hacer una transición al piso de la
  banda de conducción.
• Cuando un electrón hace tal transición este deja
  atrás un estado electrónico vacante
• Este estado vacante es llamado hueco.
• El hueco se comporta como un portador de carga
  positiva.
• Tiene la misma magnitud de carga que un electrón
  pero de distinto signo.

Banda de conducción vacía
Banda prohibida Energy gap Eg
e-
e-
e-
e-




energía
Banda de valencia llena
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Conducción en los semiconductores

• Los huecos contribuyen a la corriente en la
  banda de valencia band (BV) como los electrones
  lo hacen en la banda de conducción (BC).
• Un hueco no es una partícula libre. Puede
  existir solamente dentro del sólido. Es un
  estado electrónico vacante.
• Las transiciones electrónicas entre bandas
  resultan en igual número de e- en BC y huecos
  en la BV. Esta es una propiedad de
  semiconductores intrínsecos (no dopados). En
  el caso de semiconductores extrínsecos (dopados)
  esto no es así.

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Conducción bipolar dos portadores.

• Después de la transición , la banda de valencia
  no está más llena, está parcialmente llena y
  puede conducir electricidad
• La conductividad es debida tanto a electrones
  y huecos (conducción bipolar).

vacío
ocupado
Energía del electrón
Banda de valencia (parcialmente llena)
Después de la transición
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Qué tipo de mecanismo de excitación puede hacer
que un e- haga una transición desde el máximo
de la banda de valencia al mínimo de la banda de
conducción ?
Mecanismos de excitación

• Energía térmica ?
• Campo eléctrico ?
• Radiación electromagnética?

BC parcialmente llena
Eg
BV parcialmente vacía
Diagrama de bandas de energía de un semiconductor
a temperatura finita
Para tener portadores de carga en un
semiconductor uno debe usar uno de estos
mecanismos de excitación.
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1- Energía térmica
Mecanismos de excitación

• Energía térmica k x T 1.38 x 10-23 J/K x 300
  K 25 meV
• Tasa de excitación constante x exp(-Eg / kT)
• Aunque la energía térmica a temperatura ambiente
  es muy pequeña, 25 meV, algunos electrones pueden
  ser promovidos a la BC.
• Electrones pueden ser promovidos a la CB por
  medio de energía térmica.

• Esto es debido al crecimiento exponencial de la
  tasa de excitación con el aumento de temperatura.
  

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2- Campo eléctrico
Mecanismos de excitación

• Para bajos campos, este mecanismo no promueve
  electrones a la BC en semiconductores como el Si
  o el GaAs.
• Un campo eléctrico de1018 V/m puede proveer una
  energía del orden de 1 eV. Este campo es
  enorme.

El uso de campos eléctricos como un mecanismo
de excitación no es una forma útil de promover
electrones en semiconductores.
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3- Radiación electromagnetica
Mecanismos de excitación
h 6.62 x 10-34 J-s c 3 x 108 m/s 1
eV1.6x10-19 J
Infrarrojo cercano
Para promover electrones de la BV a la BC en Si
la longitud de onda de los fotones debe ser 1.1
µm o menos.
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(No Transcript)
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Bandas de Energía en Materiales
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Bandas de Energía en Materiales
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Semiconductores elementales
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Niveles electrónicos de impurezas
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Niveles electrónicos de impurezas
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Niveles electrónicos de impurezas
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Juntura pn
Diodo pn - zona de carga espacial.
Los diodos pn son uniones de dos materiales
semiconductores extrínsecos tipos p y n, por lo
que también reciben la denominación de unión pn.
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Juntura pn
Polarización directa.
Polarización inversa.
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Determinación de la constante de Planck
I
V
La corriente inversa es muy pequeña y casi
independiente del voltaje aplicado hasta que se
arriba a un punto de ruptura.
La corriente directa se "enciende" a
aproximadamente 0,5 V para un diodo de Si y puede
llegar a corrientes muy altas a 0,7 V.
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(No Transcript)
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Diodo de vacío