20Captulo 19_Materiales Elctricos_Askeland

Materiales ElctricosMicroelectrnica a base de silicio son una parte omnipresente de la vida moderna. Con microchips en artculos de lavadoras y hornos de microondas a los telfonos celulares, en los reproductores de MP3 y de ordenadores personales a rpidas supercomputadoras del mundo, el silicio es el material que define de finales del siglo 20 y se dominan las tecnologas informticas y de la informacin relacionada a la futuro previsible.Mientras que el silicio es el sustrato o base material de eleccin para la mayora de los dispositivos, la microelectrnica incluyen materiales de casi todas las clases, incluyendo metales tales como el cobre y el oro, otros semiconductores como el arseniuro de galio, y los aislantes tales como dixido de silicio. Incluso los polmeros semiconductores estn encontrando aplicaciones en los dispositivos tales como diodos emisores de luz.En este captulo, vamos a discutir los principios de la conductividad elctrica en los metales, semiconductores, aislantes y materiales inicos. Veremos que una diferencia entre la definicin de metales y semiconductores es que a medida que aumenta la temperatura, la resistividad de un metal aumenta, mientras que la resistividad de un semiconductor disminuye. Esta diferencia fundamental surge de la estructura de bandas de estos materiales. La estructura de la banda se compone de la matriz de los niveles de energa que estn disponibles para o prohibido para los electrones a ocupar y determina el comportamiento electrnico de un slido, como por ejemplo si se trata de un conductor, semiconductor o aislante.La conductividad de un semiconductor que no contenga impurezas generalmente aumenta exponencialmente con la temperatura. Desde un punto de vista de fiabilidad, una dependencia exponencial de la conductividad de la temperatura no es deseable para los dispositivos electrnicos que generan calor a medida que operan. Por lo tanto, los semiconductores son dopados (es decir, se aaden intencionadamente impurezas) con el fin de controlar la conductividad de los semiconductores con una precisin extrema. Vamos a aprender cmo dopantes cambian la estructura de bandas de un semiconductor de modo que la conductividad elctrica se puede adaptar para aplicaciones particulares.Los metales, semiconductores y aislantes son todos los componentes crticos de los circuitos integrados. Algunas de las caractersticas de los circuitos integrados se estn acercando a las dimensiones a escala atmica, y la fabricacin de circuitos integrados es sin duda el proceso de fabricacin ms sofisticado que existe. Se trata de fabricar simultneamente cientos de millones, e incluso miles de millones, de dispositivos en un solo microchip y representa un paradigma de fabricacin fundamentalmente diferente de la de cualquier otro proceso. Vamos a aprender acerca de algunos de los pasos involucrados en la fabricacin de circuitos integrados, incluyendo el proceso de deposicin de pelculas delgadas (pelculas en el orden de 10 a 1? M de espesor).Vamos a examinar algunas de las propiedades de los materiales aislantes. Aisladores se utilizan en dispositivos microelectrnicos para aislar elctricamente regiones activas una de la otra. Aisladores tambin se utilizan en los condensadores debido a sus propiedades dielctricas. Por ltimo, vamos a considerar los materiales piezoelctricos, que cambian su forma en respuesta a un voltaje aplicado o viceversa. Tales materiales se utilizan como actuadores en una variedad de aplicaciones.Los superconductores comprenden una clase especial de materiales electrnicos. Los superconductores son materiales que exhiben resistencia elctrica cero bajo ciertas condiciones (que por lo general incluye una temperatura muy baja del orden de 135 K o menos) y que expulsar completamente un campo magntico. Una discusin de la superconductividad est ms all del alcance de este texto.19_1 La ley de Ohm y la conductividad elctricaLa mayora de nosotros estamos familiarizados con la forma comn de la ley de Ohm,***donde V es la tensin (voltios, V), I es la corriente (amperios o amperios, A), y R es la resistencia (ohmios,?) para el flujo de corriente. Esta ley es aplicable a la mayora, pero no todos los materiales. La resistencia (R) de una resistencia es una caracterstica del tamao, la forma y las propiedades del material segn***donde l es la longitud (cm) de la resistencia, A es el rea de seccin transversal (cm2) de la resistencia,? es el (cm ohmios? o?? cm) de resistividad elctrica, y?, que es el recproco de?, es la conductividad elctrica (ohm-1 cm-1). La magnitud de la resistencia depende de las dimensiones de la resistencia. La resistividad o la conductividad no depende de las dimensiones del material. Por lo tanto, la resistividad o la conductividad nos permite comparar diferentes materiales. Por ejemplo, la plata es un mejor conductor que el cobre. La resistividad es una propiedad microestructura sensible, similar al lmite elstico. La resistividad del cobre puro es mucho menor que la del cobre comercialmente puro, debido a impurezas en comercialmente puros electrones de dispersin de cobre y contribuyen a un aumento de la resistividad. Del mismo modo, la resistividad de recocido, cobre puro es ligeramente menor que la de trabajado en fro, de cobre puro debido al efecto de dispersin asociado con las dislocaciones.En componentes diseados para conducir la energa elctrica, lo que minimiza las prdidas de potencia es importante, no slo para conservar la energa, sino tambin para minimizar el calentamiento. La potencia elctrica P (en vatios, W) pierde cuando una corriente fluye a travs de una resistencia viene dada por***Una alta resistencia R se traduce en prdidas de potencia ms grandes. Estas prdidas elctricas se conocen como las prdidas de calentamiento de Joule. Se obtiene una segunda forma de la ley de Ohm, si combinamos las ecuaciones 19-1 y 19-2 para dar***Si definimos que Aas la densidad de corriente J (A cm2) y V las del campo elctrico E (V cm), a continuacin,***La densidad de corriente J Tambin se da por***donde n es el nmero de portadores de carga (portadores cm3), q es la carga de cada vehculo (1,6 * 10-19 C), y es la velocidad media de la deriva (cm s) en el que los portadores de carga se mueven [Figura 19-1 (a)]. Por lo tanto,***La difusin se produce como resultado de los gradientes de temperatura y concentracin, y la deriva se produce como resultado de un campo elctrico o magntico aplicado. La conduccin puede ocurrir como un resultado de la difusin, la deriva, o ambos, pero la deriva es el mecanismo dominante en la conduccin elctrica.El trmino se llama la movilidad de los portadores (que en el caso de losmetales es la movilidad de los electrones):***Por ltimo,***La carga q es una constante, desde la inspeccin de la ecuacin 19-5a, nos encontramos con que podemos controlar la conductividad elctrica de los materiales por (1) el control del nmero de portadores de carga en el material o (2) el control de la movilidad o la facilidad de movimiento de los portadores de carga. La movilidad es particularmente importante en metales, mientras que el nmero de portadores es ms importante en los semiconductores y aislantes.Los electrones son los portadores de carga en metales [figura 19-1 (b)]. Los electrones son, por supuesto, cargados negativamente. En los semiconductores, los electrones realizan cargo como no cargado positivamente portadores conocidos como agujeros [Figura 19-1 (c)]. Vamos a aprender ms acerca de los agujeros en la Seccin 19-4. En los semiconductores, los electrones y los agujeros de flujo en direcciones opuestas en respuesta a un campo elctrico aplicado, pero al hacerlo, ambos contribuyen a la corriente de red. Por lo tanto, la Ecuacin 19-5a puede ser modificada de la siguiente manera para expresar la conductividad de los semiconductores:***En esta ecuacin,? N y? P son las movilidades de electrones y los huecos, respectivamente. Los trminos n y p representan las concentraciones de electrones y huecos en el semiconductor libres.En la cermica, cuando la conduccin se produce, puede ser el resultado de los electrones que "saltar" de un defecto a otra o el movimiento de los iones [Figura 19-1 (d)]. La movilidad depende de enlace atmico, imperfecciones, microestructura, y, en los compuestos inicos, las tasas de difusin.Debido a estos efectos, la conductividad elctrica de los materiales vara enormemente, como se ilustra en la Tabla 19-1. Estos valores son aproximados y son para materiales de alta pureza a 300 K (a menos que se indique lo contrario). Tenga en cuenta que los valores de la conductividad de los metales y semiconductores dependen muy fuertemente de la temperatura. Tabla 19-2 incluye algunas unidades y relaciones tiles.Materiales electrnicos pueden clasificarse como (a) superconductores, (b) conductores, (c) semiconductores, y (d) dielctricos o aisladores, dependiendo de la magnitud de su conductividad elctrica. Los materiales con conductividad inferior a 10-12? -1? cm-1, o la resistividad mayor que 1012? ? cm, se consideran aislante o dielctrico. Los materiales con conductividad inferior a 103? -1? cm-1, pero mayor que 10-12? -1? cm-1 se consideran semiconductores. Los materiales con conductividad mayor que 103? -1? cm-1, o resistividad inferior a 10-3? -1? cm-1, se consideran conductores. (Estos son los rangos aproximados de valores.)Utilizamos el trmino "dielctrico" para los materiales que se utilizan en aplicaciones en las que la constante dielctrica es importante. La constante dielctrica (k) de un material es una propiedad microstructuresensitive relacionada con la capacidad del material para almacenar una carga elctrica. Utilizamos el trmino "aislante" para describir la capacidad de un material para detener el flujo de corriente CC o CA, en oposicin a su capacidad de almacenar una carga. Una medida de la efectividad de un aislante es el campo elctrico mximo que puede soportar sin una avera elctrica.19_2 Estructura de bandas de slidosComo vimos en el captulo 2, los electrones de los tomos en el aislamiento ocupan niveles de energa fijos y discreta. El principio de exclusin de Pauli se satisface para cada tomo, ya que slo dos electrones, a lo sumo, ocupan cada nivel de energa, u orbital. Cuando los tomos de N se unen para formar un slido, el principio de exclusin de Pauli todava requiere que no ms de dos electrones en el slido tienen la misma energa. Como dos tomos se aproximan entre s con el fin de formar un enlace, el principio de exclusin de Pauli sera violado si los niveles de energa de los electrones no cambiaron. Por lo tanto, los niveles de energa de los electrones "dividir" a fin de formar nuevos niveles de energa.La figura 19-2 ilustra esquemticamente este concepto. Consideremos dos tomos se aproximan entre s para formar un enlace. Los orbitales que contienen los electrones de valencia se encuentran (en promedio) ms alejado del ncleo que los orbitales que contienen el "ncleo" o electrones ms internos. Los orbitales que contienen los electrones de valencia de un tomo por lo tanto interactan con los orbitales que contienen los electrones de valencia del tomo de otra primero. Dado que las rbitas de los electrones tienen la misma energa cuando los tomos estn en aislamiento, los orbitales cambio en la energa o "split" para que el principio de exclusin de Pauli est satisfecho. Como se muestra en la Figura 19-2, cuando se consideran dos tomos, cada uno con un orbital de inters, uno de los orbitales se desplaza a un nivel de energa ms alto, mientras que los otros cambios orbitales a un nivel de energa inferior. Los electrones de los tomos de ocuparn estos nuevos orbitales rellenando primero los niveles de energa ms bajos. A medida que el nmero de tomos aumenta, tambin lo hace el nmero de niveles de energa. Un nuevo orbital con su propia energa se forma para cada orbital de cada tomo, y como el nmero de tomos en los aumentos de slidos, la separacin de energa entre los orbitales se vuelve ms fino, en ltima instancia, formando lo que se llama una banda de energa. Por ejemplo, cuando los tomos de N se unen para formar un slido, la banda de energa 2s contiene N niveles discretos de energa, uno para cada tomo en el slido ya que cada tomo contribuye un orbital.A fin de que los portadores de carga para llevar a cabo, las compaas deben ser capaces de acelerar y aumentar la energa. La energa de los portadores puede aumentar slo si existen estados de energa disponibles para que los portadores pueden ser promovidos. Por lo tanto, la distribucin particular de los estados de energa en la estructura de bandas de un slido tiene implicaciones crticas para sus propiedades elctricas y pticas.Dependiendo del tipo de material de que se trate (metales, semiconductores, aislante), puede o no ser una brecha de energa considerable entre los niveles de energa de los orbitales que pasaron a un estado de energa ms bajo y los niveles de energa de los orbitales que se movi a una alto nivel de energa. Esta brecha de energa, si es que existe, es conocida como la banda prohibida. Vamos a hablar de la banda prohibida en detalle ms adelante.Estructura Band de sodioEl sodio es un metal y tiene la estructura 1s22s22p63s1 electrnica. La Figura 19-3 muestra un diagrama esquemtico de la estructura de bandas de sodio como una funcin de la separacin interatmica. (Tenga en cuenta que la Figura 19-2 muestra un diagrama general de una banda de separacin interatmica fijo.) Las energas dentro de las bandas dependen de la separacin entre los tomos; la lnea vertical representa el equilibrio separacin interatmica de los tomos de sodio slido.Sodio y otros metales alcalinos en la columna 1A de la tabla peridica tienen slo un electrn en el nivel ms exterior s. El 3s banda de valencia del sodio est medio lleno y, en el cero absoluto, slo los niveles de energa ms bajos estn ocupados. La energa de Fermi (Ef) es el nivel de energa en el que la mitad de los posibles niveles de energa en la banda estn ocupados por electrones. Es el nivel de energa donde la probabilidad de encontrar un electrn es 1> 2. Cuando los electrones ganan energa, estn emocionados en los niveles ms altos de energa vacos. La promocin de los transportistas a los niveles ms altos de energa permite la conduccin elctrica.Estructura Band de magnesio y otros metales Magnesio y otros metales en la columna 2A de la tabla peridica tienen dos electrones en su banda s ms externa. Estos metales tienen una alta conductividad debido a la superposicin de la banda p la banda s en el espacio interatmico equilibrio. Esta superposicin permite a los electrones a ser excitado en el gran nmero de niveles de energa no ocupados en los combinados y la banda 3s 3p. La superposicin de 3s y 3p en bandas de aluminio y otros metales en columna 3B proporcionan un efecto similar.En los metales de transicin, incluyendo escandio travs de nquel, un sin relleno superpone banda 3d la banda 4s. Esta superposicin proporciona los niveles de energa en el cual los electrones pueden ser excitados, sin embargo, las interacciones complejas entre las bandas de evitar que la conductividad de ser tan alta como en algunos de los mejores conductores. En el cobre, la banda 3d interior est lleno, y el ncleo de un tomo de bien tiene estos electrones. Por consiguiente, hay poca interaccin entre los electrones en las bandas de 4s y 3d, y el cobre tiene una alta conductividad. Una situacin similar se encuentra para la plata y el oro.Estructura Band de semiconductores y aislantesLos elementos del grupo 4-carbono (diamante), de silicio, de germanio, y estao-contener dos electrones en su carcasa exterior p y tienen una valencia de cuatro. Basndonos en nuestra discusin de la seccin anterior, es de esperar que estos elementos tienen una alta conductividad debido a la banda p vacantes, pero no se observa este comportamiento!Estos elementos estn unidos covalentemente y, en consecuencia, los electrones en el exterior s y p bandas estn unidos rgidamente a los tomos. La unin covalente produce un cambio complejo en la estructura de bandas. Los 2s y los niveles 2p de los tomos de carbono en el diamante pueden contener hasta ocho electrones, pero slo hay cuatro electrones de valencia disponibles. Cuando se unen tomos de carbono para formar diamante slido, los nmeros 2 y los niveles 2p interactuar y producir dos bandas (Figura 19-4). Cada banda hbrida puede contener 4N electrones. Dado que slo hay 4N electrones disponibles, menores (o valencia) banda est completamente lleno, mientras que la banda superior (o conduccin) est vaca.A diferencia de energa grande o banda prohibida (Eg) separa la banda de valencia a la banda de conduccin en el diamante (Eg? 5.5 eV). Pocos electrones poseen energa suficiente para saltar la zona prohibida a la banda de conduccin. Por consiguiente, el diamante tiene una conductividad elctrica de menos de 10-18 ohmios-1? cm-1. Otros materiales covalentemente unido inicamente y tienen una estructura de bandas similar y, como el diamante, son malos conductores de la electricidad. El aumento de la temperatura suministra la energa necesaria para los electrones para superar la brecha de energa. Por ejemplo, la conductividad elctrica del nitruro de boro aumenta desde aproximadamente 10-13 a temperatura ambiente a 10-4 ohm-1? cm-1 a 800 C.La Figura 19-5 muestra un esquema de la estructura de bandas de metales tpicos, semiconductores y aislantes. Por lo tanto, una distincin importante entre los metales y semiconductores es que la conductividad de los semiconductores aumenta con la temperatura, a medida que ms y ms electrones son promovidos a la banda de conduccin de la banda de valencia. En otras palabras, un nmero cada vez mayor de electrones de los enlaces covalentes en un semiconductor se libera y se convierte en disponible para la conduccin. La conductividad de la mayora de los metales, por otra parte, disminuye con el aumento de temperatura. Esto es debido a que el nmero de electrones que ya estn disponibles comienzan a dispersarse ms (es decir, aumento de la temperatura reduce la movilidad).A pesar de germanio (Ge), silicio (Si), y-Sn tienen la misma estructura cristalina y estructura de bandas como el diamante, su energa brechas son ms pequeos. De hecho, la brecha de energa (por ejemplo) en-Sn es tan pequeo (Eg = 0,1 eV)-Sn que se comporta como un metal. La diferencia de energa es algo mayor en el silicio (Eg = 1.1 eV) y el germanio (Eg = 0.67 eV)-estos elementos se comportan como semiconductores. Tpicamente, consideramos materiales con una banda prohibida mayor que 4,0 eV, como aislantes dielctricos o no conductores; materiales con un intervalo de banda inferior a 4,0 eV se consideran semiconductores.19_3 La conductividad de los metales y aleacionesLa conductividad de un puro, de metal libre de defectos, se determina por la estructura electrnica de los tomos, pero que puede cambiar la conductividad al influir en la movilidad,?, De los portadores. Recordemos que la movilidad es proporcional a la velocidad media de la deriva,. La velocidad media de la deriva es la velocidad con la que los portadores de carga se mueven en la direccin dictada por el campo aplicado. Las trayectorias de electrones se ven influidas por campos internos debido a los tomos en el slido y las imperfecciones en la red cristalina. Cuando estos campos internos influyen en la trayectoria de un electrn, la velocidad de deriva (y por lo tanto la movilidad de los portadores de carga) disminuye. El recorrido libre medio (e) de electrones se define como***El tiempo medio entre colisiones es xxx. El recorrido libre medio define la distancia promedio entre colisiones, un largo camino libre medio permite movilidades superiores y conductividades ms altas.Efecto de la temperatura Cuando la temperatura de un metal aumenta, la energa trmica hace que las amplitudes de vibracin de los tomos para aumentar (Figura 19-6). Esto aumenta la seccin transversal de dispersin de tomos o de defectos en la red. Esencialmente, los tomos y defectos actan como objetivos ms grandes para las interacciones con los electrones, y las interacciones ocurren con ms frecuencia. Por lo tanto, el recorrido libre medio disminuye, la movilidad de los electrones se reduce, y la resistividad aumenta. El cambio en la resistividad de un metal puro como una funcin de la temperatura puede ser estimado de acuerdo con***donde? es la resistividad a cualquier temperatura T, la RT es la resistividad a temperatura ambiente (es decir, 25 C), T = (T - TRT)?? es la diferencia entre la temperatura de inters y la temperatura ambiente, y R es la temperatura de la resistividad coeficiente. La relacin entre la resistencia y la temperatura es lineal en un amplio rango de temperaturas (Figura 19-7). Los ejemplos del coeficiente de temperatura de resistividad se dan en la Tabla 19-3.Efecto de los Defectos nivel atmico Las imperfecciones en las estructuras de cristal electrones de dispersin, reduciendo la movilidad y la conductividad del metal [Figura 19-6 (c)]. Por ejemplo, el aumento de la resistividad debido a tomos de solucin slida para las soluciones diluidas es***donde? d es el incremento de la resistividad debido a los defectos, x es la fraccin atmica de la impureza o tomos de solucin slida presente, y b es el coeficiente de resistividad defecto. De una manera similar, las vacantes, dislocaciones, y los lmites de grano reducen la conductividad del metal. Cada defecto contribuye a un aumento en la resistividad del metal. Por lo tanto, la resistividad global es***que es igual a las contribuciones de todos los defectos. Ecuacin 19-9 se conoce como la regla de Matthiessen. El efecto de los defectos es independiente de la temperatura (Figura 19-8).Efecto de la elaboracin y fortalecimiento de Fortalecer los mecanismos y tcnicas de procesamiento de metales afectan las propiedades elctricas de un metal de diferentes maneras (Tabla 19-4). Fortalecimiento de solucin slida no es una buena manera de obtener alta resistencia en metales destinados a tener altos niveles de conductividad. Los caminos libres medios son debido a la distribucin aleatoria de los tomos intersticiales o sustitutivo corto. La Figura 19-9 muestra el efecto de zinc y otros elementos de aleacin en la conductividad del cobre; como la cantidad de aleacin aumenta elemento, la conductividad disminuye sustancialmente.Edad endurecimiento y fortalecimiento dispersin reducir la conductividad en una medida que es menos de fortalecimiento de solucin slida, ya que no es ya un camino libre medio entre precipitados, en comparacin con la ruta de acceso entre los defectos puntuales. El endurecimiento por deformacin y control granulomtrico tienen menos efecto sobre la conductividad (Figura 19-9 y la Tabla 19-4). Desde dislocaciones y fronteras de grano estn ms separados que los tomos de solucin slida, hay grandes cantidades de metales que tienen una larga trayectoria libre media. Por consiguiente, el trabajo en fro es una manera eficaz para aumentar la resistencia de un conductor metlico sin perjudicar seriamente las propiedades elctricas del material. Adems, los efectos del trabajo en fro en la conductividad pueden ser eliminados mediante el tratamiento de recuperacin de calor de baja temperatura en la que se restaura una buena conductividad, mientras que se conserva la fuerza.La conductividad de las aleacionesAleaciones tpicamente tienen resistividades ms altos que los metales puros debido a la dispersin de electrones debido a las adiciones de aleacin. Por ejemplo, la resistividad de Cu puro a temperatura ambiente es? 1,67 * 10-6? ? cm y la de oro puro es? 2.35 * 6.10? ? cm. La resistividad de un 35% de Au-65% de aleacin de Cu a temperatura ambiente es mucho mayor,? 12 * 10-6? ? cm. Orden de los tomos en las aleaciones por tratamiento con calor puede disminuir su resistencia. En comparacin con los metales puros, la resistividad de aleaciones tiende a ser estable en lo que respecta a la variacin de temperatura. Aleaciones relativamente alto de resistencia, tales como nicromo (? 80% de Ni-20% de Cr) se pueden utilizar como elementos de calefaccin. Ciertas aleaciones de Bi-Sn-Pb-Cd se utilizan para hacer los fusibles elctricos debido a sus bajas temperaturas de fusin.19_4 SemiconductoresSemiconductores elementales se encuentran en el Grupo 4B de la tabla peridica e incluyen germanio y silicio. Semiconductores compuestos se forman a partir de los elementos de los grupos 2B y 6B de la tabla peridica (por ejemplo, CD CdSe, CdTe, HgCdTe, etc) y se conocen como II-VI (dos y seis) semiconductores. Tambin se pueden formar mediante la combinacin de elementos de los Grupos 3B y 5B de la tabla peridica (por ejemplo, GaN, GaAs, por desgracia, Alp, InP, etc.) Estos son conocidos como (tres y cinco) semiconductores III-V.Un semiconductor intrnseco es uno con propiedades que no son controlados por las impurezas. Se prefiere un semiconductor extrnseco (n-o p-tipo) para los dispositivos, ya que sus propiedades son estables con la temperatura y pueden ser controlados usando la implantacin de iones o difusin de impurezas conocidas como dopantes. Los materiales semiconductores, como el silicio y el germanio, proporcionan las bases para muchos dispositivos electrnicos. Estos materiales tienen una conductividad elctrica fcilmente controlado y, cuando se combinan adecuadamente, puede actuar como interruptores, amplificadores, o dispositivos de almacenamiento de informacin. Las propiedades de algunos de los semiconductores se encuentran comnmente se incluyen en la Tabla 19-5.Como hemos aprendido en la Seccin 19-2, como los tomos de un semiconductor se unen para formar un slido, dos bandas se forman de energa [Figura 19-5 (b)]. A 0 K, los niveles de energa de la banda de valencia estn completamente llenos, ya que estos son los estados de energa ms bajos para los electrones. La banda de valencia se separa de la banda de conduccin por una banda prohibida. A 0 K, la banda de conduccin est vaca.El ejemplo brecha energtica entre la banda de valencia y de conduccin en semiconductores es relativamente pequeo (Figura 19-5). Como resultado, a medida que aumenta la temperatura, algunos electrones poseen suficiente energa trmica para ser promovido desde la banda de valencia a la banda de conduccin. Los electrones excitados dejan atrs los niveles de energa desocupados, o agujeros en la banda de valencia. Cuando un electrn se mueve a llenar un hueco, se crea otro agujero y, en consecuencia, los agujeros parecen actuar como los electrones con carga positiva y llevar una carga elctrica. Cuando se aplica un voltaje al material, los electrones en la banda de conduccin aceleran hacia el terminal positivo, mientras que los agujeros en la banda de valencia movimiento hacia el terminal negativo (Figura 19-10). Actual es, por lo tanto, llevada a cabo por el movimiento de ambos electrones y los huecos.La conductividad se determina por el nmero de electrones y huecos segn***donde n es la concentracin de electrones en la banda de conduccin, p es la concentracin de agujeros en la banda de valencia, y? n y? p son las movilidades de electrones y los huecos, respectivamente (Tabla 19-5). Esta ecuacin es la misma que la ecuacin 19-5b.En los semiconductores intrnsecos, para cada electrn promovido a la banda de conduccin, hay un agujero que queda en la banda de valencia, de tal manera que***En los semiconductores intrnsecos, controlamos el nmero de portadores de carga y, por lo tanto, la conductividad elctrica mediante el control de la temperatura. A la temperatura del cero absoluto, todos los electrones estn en la banda de valencia, mientras que todos los niveles en la banda de conduccin estn desocupados [Figura 19-11 (a)]. A medida que aumenta la temperatura, existe una mayor probabilidad de que un nivel de energa en la banda de conduccin est ocupada (y una probabilidad igual que un nivel en la banda de valencia est ocupada, o un agujero que est presente) [Figura 19-11 (b) ]. El nmero de electrones en la banda de conduccin, que es igual al nmero de agujeros en la banda de valencia, est dada por***donde n0 es dada por***En estas ecuaciones, k y h son la de Boltzmann y las constantes de Planck y y son las masas efectivas de electrones y huecos en el semiconductor, respectivamente. La cuenta de masas eficaz para los efectos de las fuerzas internas que alteran la aceleracin de los electrones en un slido con respecto a los electrones en un vaco. Para Ge, Si y GaAs, los valores de la temperatura de las habitaciones de NI son 2,5 * 1013, * 1010 1,5, y 2 * 106 cm3 electrones, respectivamente. El producto NIPI permanece constante a cualquier temperatura dada para un semiconductor dado. Esto nos permite calcular los valores de Ni o pi a diferentes temperaturas.Las temperaturas ms altas permiten ms electrones para cruzar la zona prohibida y, por lo tanto, aumenta la conductividad:***Tenga en cuenta que tanto y ni? estn relacionados con la temperatura por una ecuacin de Arrhenius,. A medida que aumenta la temperatura, la conductividad de un semiconductor tambin aumenta debido a que ms portadores de carga estn disponibles para la conduccin. Tenga en cuenta que, como para los metales, las movilidades de los portadores disminuyen a altas temperaturas, pero esto es una dependencia mucho ms dbil que el aumento exponencial en el nmero de portadores de carga. El aumento de la conductividad con la temperatura en los semiconductores contrasta fuertemente con la disminucin en la conductividad de los metales con el aumento de la temperatura (Figura 19-12). Incluso a altas temperaturas, sin embargo, la conductividad de un metal es rdenes de magnitud ms alta que la conductividad de un semiconductor. El ejemplo que sigue muestra el clculo de la concentracin de portadores en un semiconductor intrnseco.Semiconductores extrnsecos La dependencia de la temperatura de la conductividad en los semiconductores intrnsecos es casi exponencial, pero esto no es til para aplicaciones prcticas. No podemos controlar con precisin el comportamiento de un semiconductor intrnseco debido a ligeras variaciones de temperatura pueden cambiar significativamente la conductividad. Mediante la adicin de intencionalmente un pequeo nmero de tomos de impurezas al material (llamado dopaje), podemos producir un semiconductor extrnseco. La conductividad de los semiconductores extrnsecos depende principalmente de la cantidad de impureza, o dopante, los tomos y en un cierto rango de temperatura es independiente de la temperatura. Esta capacidad de tener una conductividad independiente ajustable embargo la temperatura es la razn por la que casi siempre utilizamos los semiconductores extrnsecos para hacer dispositivos.n-Type Semiconductores Supongamos que aadimos un tomo de impureza, tales como antimonio (que tiene una valencia de cinco) al silicio o germanio. Cuatro de los electrones del tomo de antimonio participar en el proceso de unin covalente-, mientras que el electrn extra entra en un nivel de energa justo debajo de la banda de conduccin (Figura 19-13). Dado que el electrn extra no est fuertemente unido a los tomos, slo se requiere un pequeo aumento en la energa, Ed, para el electrn para entrar en la banda de conduccin. Este nivel de energa justo debajo de la banda de conduccin se llama un estado donante. Un dopante "dona" un electrn libre de tipo n para cach impureza agreg. La diferencia de energa controlando la conductividad es ahora Ed vez de Eg (Tabla 19-6). No hay agujeros correspondientes se crean cuando los electrones donantes entran en la banda de conduccin. Sigue siendo el caso que los pares electrn-hueco se crean cuando la energa trmica hace que los electrones para ser promovidos a la banda de conduccin de la banda de valencia, sin embargo, el nmero de pares electrn-hueco es significativa slo a altas temperaturas.p-Type Semiconductores Cuando aadimos una impureza como el boro o galio, que tiene una valencia de tres, de Si o Ge, no hay suficientes electrones para completar el proceso de unin covalente. Un agujero se crea en la banda de valencia que puede ser llenado por los electrones de otras localidades de la banda (Figura 19-14). Los agujeros actan como "aceptadores" de electrones. Estos sitios tienen un agujero un poco ms alta que la energa normal y crear un nivel de aceptacin de las posibles energas de electrones justo por encima de la banda de valencia (Tabla 19-6). Un electrn debe obtener una energa de slo Ea con el fin de crear un agujero en la banda de valencia. El agujero se lleva la carga. Esto se conoce como un semiconductor de tipo p.La neutralidad de carga En un semiconductor extrnseco, tiene que haber neutralidad elctrica global. Por lo tanto, la suma del nmero de tomos donantes (Nd) y los agujeros por unidad de volumen (Pext) (ambos estn cargados positivamente) es igual al nmero de tomos de aceptor (Na) y los electrones por unidad de volumen (siguiente) (ambos son negativamente cargado):***En esta ecuacin, siguiente y Pext son las concentraciones de electrones y huecos en un semiconductor extrnseco.Si el semiconductor extrnseco est fuertemente dopado de tipo n (es decir, Nd WNI), entonces la prxima Nd. Del mismo modo, si hay un semiconductor dopado fuertemente aceptor (tipo p), a continuacin, Na W pi y por lo tanto, PEXT? Na. Esto es importante, ya que esta dice que mediante la adicin de una cantidad considerable de dopante, podemos dominar la conductividad de un semiconductor mediante el control de la concentracin de dopante. Esta es la razn por semiconductores extrnsecos son ms tiles para la fabricacin de dispositivos controlables tales como transistores.Los cambios en la concentracin de portadores con la temperatura se muestran en la figura 19-15. A partir de esto, los cambios aproximados de conductividad en un semiconductor extrnseco son fciles de seguir. Cuando la temperatura es demasiado baja, los tomos donantes o aceptor no se ionizan y por lo tanto la conductividad es muy pequea. Cuando la temperatura comienza a aumentar, los electrones (o huecos) aportados por los donantes (o aceptantes) estn disponibles para la conduccin. A temperaturas suficientemente altas, la conductividad es casi independiente de la temperatura (regin etiquetada como extrnseca). El valor de la conductividad en el que se produce la meseta depende del nivel de dopaje. Cuando las temperaturas se vuelven demasiado alta, el comportamiento se aproxima al de un semiconductor intrnseco ya que se pierde esencialmente el efecto de agentes de dopado. En este anlisis, no hemos contabilizado los efectos de la concentracin de dopantes sobre la movilidad de los electrones y los huecos y la dependencia de la temperatura de la banda prohibida. A temperaturas muy elevadas (no se muestra en la Figura 19-15), la conductividad disminuye de nuevo como dispersin de portadores domina.Muchos otros materiales que son normalmente aislantes (debido a que la banda prohibida es demasiado grande) se pueden hacer semiconductora por dopaje. Ejemplos de esto incluyen BaTiO3, ZnO, TiO2, y muchos otros xidos. Por lo tanto, el concepto de n-y p-tipo dopantes no se limita a Si, Ge, GaAs, etc Podemos droga BaTiO3, por ejemplo, y hacer n-o p-tipo BaTiO3. Tales materiales son tiles para muchas aplicaciones de sensores tales como termistores.Semiconductores Bandgap directos e indirectos En un semiconductor de banda prohibida directa, un electrn puede ser promovido de la banda de conduccin a la banda de valencia sin cambiar el momento del electrn. Un ejemplo de un semiconductor de banda prohibida directa es GaAs. Cuando el electrn excitado cae de nuevo en la banda de valencia, los electrones y los huecos se combinan para producir luz. Esto se conoce como recombinacin radiativa. Por lo tanto, los materiales de banda prohibida directa como GaAs y soluciones slidas de estos (por ejemplo GaAs-Alas, etc) se utilizan para fabricar diodos emisores de luz (LEDs) de diferentes colores. La banda prohibida de semiconductores se puede ajustar usando soluciones slidas. El cambio en la banda prohibida produce un cambio en la longitud de onda (es decir, la frecuencia del color (v) se relaciona con la banda prohibida como Ej. Ej. = hv, donde h es la constante de Planck). Dado que se obtiene un efecto ptico utilizando un material electrnico, a menudo los materiales de banda prohibida directa se conocen como materiales optoelectrnicos (Captulo 21). Muchos LEDs y lseres se han desarrollado utilizando estos materiales. LED que emiten luz en el rango infrarrojo se utilizan en sistemas de comunicacin de fibra ptica para convertir las ondas de luz en impulsos elctricos. Diferentes lseres de colores, tales como el lser azul usando GaN, se han desarrollado utilizando materiales de banda prohibida directa.En un semiconductor de banda prohibida indirecta (por ejemplo, Si, Ge, y GAP), los electrones no pueden ser promovidos a la banda de valencia y sin un cambio en el momento. Como resultado, en los materiales que tienen una banda prohibida indirecta (por ejemplo, silicio), no podemos obtener la emisin de luz. En su lugar, los electrones y agujeros se combinan para producir calor que se disipa dentro del material. Esto se conoce como recombinacin no radiactiva. Tenga en cuenta que ambos materiales de banda prohibida directa e indirecta pueden ser dopados para formar n-o semiconductores de tipo p.19_5 Aplicaciones de los semiconductoresFabricamos diodos, transistores, lser y LED utilizando semiconductores. La unin pn se utiliza en muchos de estos dispositivos, tales como transistores. Creacin de una regin de tipo n en un semiconductor de tipo p (o viceversa) forma una unin pn [Figura 19-16 (a)]. La regin de tipo n contiene un nmero relativamente grande de electrones libres, mientras que la regin de tipo p contiene un nmero relativamente grande de agujeros libres. Este gradiente de concentracin provoca la difusin de los electrones desde el material de tipo n sobre el material de tipo p y la difusin de los agujeros a partir del material de tipo p para el material de tipo n. En el cruce donde el n-p-regiones y se renen, los electrones libres en el material de nType se recombinan con los agujeros en el material de tipo p. Esto crea una regin empobrecido en la unin donde el nmero de portadores de carga disponibles es baja, y por lo tanto, la resistividad es alta. Por consiguiente, un campo elctrico se desarrolla debido a la distribucin de iones positivos expuestos en la N-lado de la unin y los iones negativos expuestos en el lado p de la unin. El campo elctrico contrarresta an ms la difusin.Elctricamente, la unin pn es conductor cuando el lado p est conectado a una tensin positiva. Esta condicin de polarizacin directa se muestra en la figura 19-16 (a). La tensin aplicada contrarresta directamente el campo elctrico en la regin empobrecido, por lo que es posible para los electrones de la n-lado a difunden a travs de la regin empobrecido a la del lado p y los agujeros desde el lado de p para difundirse a travs de la regin empobrecido a la n -lado. Cuando un sesgo negativo se aplica al lado p de una unin pn (polarizacin inversa), la unin pn no permite mucho ms que la corriente fluya. La regin empobrecido simplemente se hace ms grande porque se ha agotado ms de los portadores. Cuando no se aplica ningn sesgo, no hay corriente que fluye a travs de la unin pn. La corriente hacia delante puede ser tan grande como unos pocos miliamperios, mientras que la corriente de polarizacin inversa es de unos pocos nano-amperios.Las caractersticas de corriente-voltaje (I-V) de una unin pn se muestran en la figura 19-16 (b). Debido a que la unin pn permite que la corriente fluya slo en una direccin, que pasa slo la mitad de una corriente alterna, por lo tanto, la conversin de la corriente alterna a corriente continua [Figura 19-6 (c)]. Estas uniones se denominan diodos rectificadores.Transistores de unin bipolar Hay dos tipos de transistores basados en uniones pn. El trmino transistor se deriva de dos palabras, "transferencia" y "resistencia". Un transistor se pueden utilizar como un interruptor o un amplificador. Un tipo de transistor es el transistor de unin bipolar (BJT). En la era de las computadoras centrales, transistores de unin bipolar se utilizan a menudo en las unidades centrales de procesamiento. Un transistor de unin bipolar es un sndwich de NPN o PNP materiales semiconductores, como se muestra en la figura 19-17 (a). Hay tres zonas en el transistor: el emisor, la base y el colector. Al igual que en la unin pn, los electrones se concentran inicialmente en el material de tipo n, y los agujeros se concentran en el material de tipo p.Figura 19-17 (b) muestra un diagrama esquemtico de un transistor npn y su circuito elctrico. La seal elctrica que se amplifica est conectado entre la base y el emisor, con un pequeo voltaje entre estas dos zonas. La salida del transistor, o la seal amplificada, est conectado entre el emisor y el colector y opera a un voltaje ms alto. El circuito est conectado de modo que una polarizacin directa se produce entre el emisor y la base (el voltaje positivo est en la base de tipo p), mientras que una polarizacin inversa se produce entre la base y el colector (con la tensin positiva en el extremo N de tipo colector). La polarizacin directa hace que los electrones salir del emisor y entrar en la base.Los electrones y los agujeros intentan recombinarse en la base, sin embargo, si la base es excepcionalmente fina y ligeramente dopado, o si el tiempo de recombinacin es largo, casi todos los electrones pasan a travs de la base y entran en el colector. La polarizacin inversa entre la base y el colector acelera los electrones a travs del colector, el circuito se completa, y se produce una seal de salida. La corriente a travs del colector (Ic) viene dada por***donde I0 y B son constantes y VE es la tensin entre el emisor y la base. Si se aumenta la tensin de entrada VE, se produce una gran corriente Ic.Transistores de efecto de campo Un segundo tipo de transistor, que se utiliza casi universalmente hoy en da para el almacenamiento y procesamiento de datos, es el transistor de efecto de campo (FET). Un semiconductor de xido metlico (MOS), transistor de efecto de campo (o MOSFET) consta de dos regiones de tipo n altamente dopadas (N +) en un sustrato de tipo p o dos regiones de tipo p altamente dopadas en un sustrato de tipo n. (Los procesos de fabricacin mediante el cual se discutir un dispositivo de este tipo se forma en la Seccin 19-6.) Considere un MOSFET que se compone de dos regiones de tipo n altamente dopadas en un sustrato de tipo p. Una de las regiones de tipo n se llama la fuente, y el segundo se llama el desage. Se aplica un potencial entre la fuente y el drenaje con la regin de drenador de ser positivo, pero en ausencia de un tercer componente del transistor (un conductor de llamada de la puerta), los electrones no puede fluir desde la fuente al drenaje bajo la accin de la campo elctrico a travs de la regin de baja conductividad de tipo p. La puerta est separado del semiconductor por una capa aislante delgada de xido y se extiende por la distancia entre las dos regiones de tipo n. En estructuras de dispositivos avanzados, el aislante es slo varias capas atmicas de espesor y cuenta con materiales distintos de la slice puro.Se aplica un potencial entre la puerta y la fuente con la puerta de ser positivo. El potencial atrae electrones a las proximidades de la puerta (y repele agujeros), pero los electrones no puede entrar en la puerta debido a la slice. La concentracin de electrones por debajo de la puerta hace que esta regin (conocido como el canal) ms conductor, de modo que un gran potencial entre la fuente y el drenaje permite que los electrones fluyan desde la fuente al drenaje, producir una seal amplificada (estado "encendido") . Mediante el cambio de la tensin de entrada entre la puerta y la fuente, el nmero de electrones en los cambios de trayectoria, conductoras, cambiando as tambin la seal de salida. Cuando no se aplica tensin a la puerta, no hay electrones son atrados a la regin entre la fuente y el drenaje, y no hay flujo de corriente desde la fuente al drenaje (estado "apagado").19_6 Visin general del procesamiento de circuito integradoLos circuitos integrados (ICs, tambin conocido como microchips) comprenden un gran nmero de componentes electrnicos que han sido fabricados en la superficie de un material de sustrato en forma de una oblea circular delgado de menos de 1 mm de espesor y tan grande como 300 mm de dimetro. Dos componentes importantes que se encuentran sobre todo en circuitos integrados son transistores, que pueden servir como interruptores elctricos, como se discute en la Seccin 19-5 y condensadores, que pueden almacenar los datos en un formato digital. Cada oblea puede contener varios cientos de fichas. Bien conocido microprocesador de Intel Xeon es un ejemplo de un chip individual.Cuando se desarroll por primera vez en la dcada de 1960, un circuito integrado que comprende unos componentes elctricos, mientras que los circuitos integrados modernos pueden incluir varios mil millones de componentes, todos ellos en el rea de un sello de correos. Las dimensiones ms pequeas de la componentes del IC (o "dispositivos") con empresa se acercan a la escala atmica. Este aumento en complejidad y sofisticacin, logrado simultneamente con una disminucin dramtica en el costo per componente de, ha permitido a la informacin de la totalidad la tecnologa de era en la cual en que vivimos. Sin estos logros, telfonos mviles, Internet, ordenadores de sobremesa, dispositivos de imgenes mdicas y sistemas porttiles de msica-por nombrar slo unos pocos iconos de la vida contempornea no podra existir. Se ha estimado que los humanos producen en la actualidad ms transistores por ao que los granos de arroz.Desde el inicio de la fabricacin de circuitos integrados modernos, una reduccin del tamao de los componentes individuales que componen circuitos integrados ha sido un objetivo de los investigadores y tecnlogos que trabajan en este campo. Una expresin comn de esta tendencia es conocida como "Ley de Moore", llamado as por Gordon Moore, autor de un artculo seminal publicado en 1965. En ese papel, Moore, quien llegara a co-fundar la Corporacin Intel, predijo que el rpido crecimiento en el nmero de componentes fabricados en un chip representa una tendencia que continuar en el futuro. Estaba en lo cierto, y las tendencias generales que se predijo que todava existen cuatro dcadas ms tarde.Como resultado, por ejemplo, vemos que el nmero de transistores en un microprocesador ha crecido de unos pocos miles a varios cientos de millones de dlares, mientras que los chips de memoria dinmica de acceso aleatorio (DRAM) han superado el hito de mil millones de transistores. Esto ha dado lugar a enormes avances en la capacidad de los sistemas electrnicos, en especial el sistema de costo por dlar. Durante este tiempo, varias dimensiones de todos los componentes en un chip se han reducido, a menudo en varios rdenes de magnitud, con unas dimensiones ahora mejor medidos en nanmetros. Esta escala, como se le llama, condujo y sigue impulsando la Ley de Moore y juega en casi todos los aspectos de diseo de circuitos integrados y la fabricacin. El mantenimiento de este progreso ha requerido el compromiso de enormes recursos, tanto financieros como humanos, como herramientas de procesamiento de IC (y el entorno fsico en el que residen) se han desarrollado en serie para cumplir con los desafos de la produccin de manera fiable las caractersticas cada vez ms pequeos.La fabricacin de circuitos integrados implica varios cientos de pasos de procesamiento individuales y puede requerir varias semanas para efectuar. En muchos casos, los mismos tipos de paso de procesamiento se repiten una y otra vez, con algunas variaciones y quizs con otras etapas de procesamiento interpuestas, para crear el circuito integrado. Estos llamados "procesos unitarios" incluyen mtodos para depositar capas delgadas de materiales sobre un sustrato, medios para definir y crear intrincados patrones dentro de una capa de material, y los mtodos para introducir cantidades precisas de agentes de dopado en capas o la superficie de la oblea. Las escalas de longitud involucrados con algunos de estos procesos se estn acercando a las dimensiones atmicas.El equipo utilizado para estos procesos unitarios incluye algunos de los instrumentos ms sofisticados y caros jams concebido, muchos de los cuales se debe mantener en "salas limpias" que se caracterizan por niveles de polvo y la contaminacin rdenes de magnitud menor que la encontrada en un quirfano . Una moderna planta de fabricacin IC puede requerir varios miles de millones de dlares de gastos de capital para la construccin y ms de mil personas para operar.Obleas de silicio ms a menudo se cultivan utilizando la tcnica de crecimiento Czochralski [Figura 19-18 (a)]. Un cristal semilla pequea se utiliza para crecer monocristales de silicio de gran tamao. La semilla de cristal se rota lentamente, inserta en, y luego sac de un bao de silicio fundido. tomos de silicio se unen a la semilla de cristal en la orientacin deseada a medida que se retrae el cristal semilla. Flotador zona y las tcnicas de Czochralski encapsulados lquidos tambin se utilizan. Se prefieren los cristales individuales, debido a que las propiedades elctricas de manera uniforme dopados y esencialmente libres de dislocacin-cristales individuales estn mejor definidos que los de silicio policristalino.Despus de la produccin de obleas de silicio, que a su vez requiere un gasto considerable y la experiencia, hay cuatro clases principales de los procedimientos de fabricacin de CI. El primero, la transformacin conocido como "front end", comprende las etapas en las que se crean los componentes elctricos (por ejemplo, los transistores) en las regiones superiores de la superficie de una oblea de semiconductor. Es importante tener en cuenta que la mayor parte del espesor de la oblea existe meramente como un soporte mecnico; los componentes elctricamente activos se forman en la superficie y por lo general se extienden slo unas pocas milsimas de milmetro en la oblea. Procesamiento Front-end puede incluir un centenar o ms pasos. Un diagrama esquemtico de algunos pasos de procesamiento front-end ejemplares para producir un transistor de efecto de campo se muestran en la figura 19-18 (b).Procesamiento "Volver final" implica la formacin de una red de "interconexiones" en y justo por encima de la superficie de la oblea. Las interconexiones estn formadas en pelculas delgadas de material depositado en la parte superior de la oblea que se modelan en las redes precisas; estos sirven como vas de conduccin en tres dimensiones que permiten que las seales elctricas pasen entre los componentes electrnicos individuales, como se requiere para el CI para operar y llevar a cabo operaciones matemticas y lgicas o para almacenar y recuperar datos. Procesamiento back-end culmina con capas protectoras de los materiales aplicados a las obleas que eviten daos mecnicos y ambientales. Una de las caractersticas de fabricacin de CI es que un gran nmero de obleas-que comprenden cada uno varios cientos a varios miles de circuitos integrados, que a su vez pueden incluir cada uno varios millones a varios miles de millones de componentes individuales-estn a menudo fabricada en el mismo tiempo.Una vez que el procesamiento de back-end se ha completado, las obleas se someten a una serie de procedimientos de prueba para evaluar tanto la oblea como un todo y los chips individuales. A medida que el nmero de componentes por chip ha aumentado y el tamao de los componentes ha disminuido, los procedimientos de ensayo mismos se han convertido cada vez ms complejo y especializado. Obleas con una muy pequea fraccin del funcionamiento adecuado fichas se descartan.Los ltimos pasos en la produccin de circuitos integrados funcionamiento se conocen colectivamente como "packaging", en el que las obleas se cortan aparte de producir chips individuales, fsicamente distintos. Para proteger los chips de los daos, la corrosin, y similares, y para permitir que las seales elctricas pasen dentro y fuera de las virutas, que se colocan en contenedores especiales, hermticamente selladas, a menudo slo ligeramente mayor que el propio chip. Un equipo accionado por un solo microprocesador contiene muchos otros chips para muchas otras funciones.19_7 La deposicin de pelculas delgadasComo se indic en la Seccin 19-6, circuito integrado de fabricacin depende en parte de la deposicin de pelculas delgadas de materiales sobre un sustrato. Esto es igualmente cierto para muchas tecnologas que emplean pelculas, recubrimientos, u otras capas delgadas de materiales, tales como revestimientos resistentes al desgaste en herramientas de corte, revestimientos anti-reflectantes en componentes pticos, y las capas magnticas depositadas en discos de aluminio para el almacenamiento de datos. Las pelculas delgadas pueden mostrar muy diferentes microestructuras y propiedades fsicas que sus contrapartes granel, caractersticas que pueden ser explotadas en un nmero de maneras. Creacin, el estudio y el uso de pelculas delgadas representa una tremendamente amplio campo de la ciencia de los materiales e ingeniera que tiene un enorme impacto en la tecnologa moderna.Las pelculas delgadas son, como el nombre implica, muy pequea en una dimensin-especialmente en comparacin con su extensin en las otras dos dimensiones. No hay parte superior bien definido unido en lo que constituye la "delgada", pero muchas tecnologas modernas emplean rutinariamente espesores de varios micrones a pocos dimensiones atmicas. Hay miles de maneras por las cuales las pelculas delgadas pueden ser depositados, pero en general, cualquier tcnica implica tanto una fuente del material a depositar y un medio para transportar el material desde la fuente a la superficie de la pieza sobre la que se va a depositar. Muchas tcnicas de deposicin requieren que la fuente y la pieza de trabajo se mantienen en un sistema de vaco, mientras que otros colocan la pieza de trabajo en un entorno lquido.Deposicin fsica de vapor (PVD) es una categora muy importante de tcnicas de crecimiento de capa fina. PVD tiene lugar en una cmara de vaco, y por un medio u otro crea un vapor de baja presin del material a depositar. Algunos de este vapor se condensar en la pieza de trabajo y de ese modo empezar a depositar como una pelcula fina. Simplemente fusin de un material en el vaco, en funcin de su presin de vapor, a veces puede producir un depsito de material til.Pulverizacin catdica es un ejemplo de deposicin fsica de vapor y es el mtodo de PVD ms importante para la fabricacin de circuitos integrados. Las interconexiones que llevan seales elctricas de un dispositivo electrnico a otro en un chip IC normalmente se han hecho de las aleaciones de aluminio que han sido depositadas por pulverizacin catdica. El bombardeo inico puede ser utilizada para depositar ambos materiales conductores y aislantes.Como se muestra en la figura 19-19, en una cmara de pulverizacin catdica, argn u otros tomos en un gas ionizado son primero y luego acelerados por un campo elctrico hacia una fuente de material a depositar, a veces llamado un "blanco". Estos iones se desprenden y se tomos de expulsin de la superficie del material de origen, algunas de las cuales deriva travs de un hueco hacia la pieza de trabajo, los que se condensan en su superficie se dice que estn depositados. Dependiendo de la cunto tiempo contina el proceso, es posible por pulverizacin catdica pelculas de depsito que son muchos micras de espesor.Deposicin de vapor qumico (CVD) representa otro conjunto de tcnicas que se emplean extensamente en la industria de CI. En las enfermedades cardiovasculares, existe la fuente del material a ser depositado en forma gaseosa. La fuente de gas y otros gases se introducen en una cmara de vaco calentada donde son sometidos a una reaccin qumica que crea el material deseado en forma de un producto. Este producto se condensa sobre la pieza de trabajo (como en los procesos de PVD) la creacin, con el tiempo, una capa del material. En algunos procesos CVD, la reaccin qumica puede tener lugar preferentemente en la misma pieza de trabajo. Las pelculas delgadas de silicio policristalino, de tungsteno, y nitruro de titanio son comnmente depositados por CVD como parte de la fabricacin de IC. Crecimiento de nanocables, que se discuti en el Captulo 11, tambin se procede a menudo a travs de un procedimiento de CVD.La electrodeposicin es un tercer mtodo para la creacin de pelculas delgadas sobre una pieza de trabajo. Aunque esta es una tecnologa muy antigua, que ha sido aprobado recientemente para su uso en la fabricacin de IC, especialmente para el depsito de las pelculas de cobre que estn reemplazando a pelculas de aluminio en la mayora de los circuitos integrados avanzados. En la electrodeposicin, la fuente y la pieza de trabajo estn ambos sumergidos en un electrolito lquido y tambin estn conectados por un circuito elctrico externo. Cuando se aplica un voltaje entre la fuente y la pieza de trabajo, los iones del material fuente se disuelven en el electrolito, la deriva bajo la influencia del campo hacia la pieza de trabajo, y unirse qumicamente en su superficie. Con el tiempo, se deposita por lo tanto una pelcula delgada. En algunas circunstancias, un campo elctrico externo puede no ser necesaria, lo que se llama deposicin sin corriente elctrica. Electrodeposicin y deposicin electroltica se refieren a veces como "placas", y la pelcula depositada a veces se dice que est "sembraron" en la pieza de trabajo.19_8 Conductividad en otros materiales