IMPUREZAS DE LOS SEMICONDUCTORES.

I) DEFINICION DE SEMICONDUCTOR:

Los semiconductores son materiales cuya conductividad varía con la temperatura, pudiendo comportarse como conductores o como aislantes. Resulta que se desean variaciones de la conductividad no con la temperatura sino controlables eléctricamente por el hombre.

Para conseguir esto, se introducen átomos de otros elementos en el semiconductor. Estos átomos se llaman impurezas y tras su introducción, el material semiconductor presenta una conductividad controlable eléctricamente.

Existen dos tipos de impurezas, las P y las N, que cambian la conductividad del silicio y determinan el tipo de cristal a fabricar. Por tanto, como hay dos tipos de impurezas habrá dos tipos fundamentales de cristales, cristales de impurezas P y cristales de impurezas tipo N.

El material semiconductor más utilizado es el Silicio (Si), pero hay otros semiconductores como el Germanio (Ge) que también son usados en la fabricación de circuitos. El silicio está presente de manera natural en la arena por lo que se encuentra con abundancia en la naturaleza. Además, el Si presenta propiedades mecánicas y eléctricas buenas. Su purificación es relativamente sencilla (llegándose a Si puro del 99,99999%) y el Si se presta fácilmente a ser oxidado, formándose SiO2 y constituyendo un aislante que se utiliza en todos los transistores de la tecnología CMOS.

La conductividad disminuye:

a) Al aumentar la temperatura: (T) ·T = conste.

b) Al crecer las impurezas y los defectos de la red.

Los semiconductores tienen una banda prohibida de anchura Eg < 2eV

Su conductividad tiene un valor intermedio entre el valor de los metales y el valor

de los aislantes.

( ·m)-1

Conductores Cu, Ag, Au... 108

Semiconductores extrínsecos Si(P), Si(B), AsGa(Se), AsGa(Be) 106/10-8

Semiconductores intrínsecos Si, Ge, AsGa 10-8

Aislantes Mica, cuarzo, plásticos 10-14

Los aislantes poseen una banda prohibida de energía, de anchura Eg, que

separa la última banda completamente llena, banda de valencia, sin estados

libres. Los electrones de valencia están ligados formando enlaces más o menos

fuerte entre los átomos de la red. La banda próxima superior, banda de

conducción, está vacía, con la totalidad de sus estados energéticos

desocupados. A 0 K la conductividad es nula, tienen una banda prohibida de

anchura no nula, Eg=0.

II) IMPUREZAS DE LOS SEMICONDUCTORES:

Existen dos tipos de impurezas, las P y las N, que cambian la conductividad del silicio y determinan el tipo de cristal a fabricar. Por tanto, como hay dos tipos de impurezas habrá dos tipos fundamentales de cristales, cristales de impurezas P y cristales de impurezas tipo N.

“El dopado” consiste en la introducción controlada de impurezas en la red. Se sustituye un elemento por otro que tenga:

Un electrón más de valencia que el sustituido, impureza donadora, que ionizada, genera un electrón móvil por la red.

Cada impureza donadora genera un e- libre y se transforma en un ion positivo fijo en la red, origina un semiconductor tipo-n.

Un electrón menos de valencia que el sustituido, impureza aceptora, que ionizada, genera un enlace incompleto móvil por la red, que es un portador virtual denominado hueco.

Cada impureza aceptora genera un h+ y se transforma en un ion negativo fijo en la red, origina un semiconductor tipo-p.

Para el Ge y el Si elementos del grupo IV, con 4 electrones de valencia, son impurezas:

Donadoras: P, As, Sb, elementos del grupo V con 5 electrones de valencia.

Aceptoras: B, Al, Ge, In, elementos del grupo III con 3 electrones de valencia.

III) IONIZACION TERMICA DE IMPUREZAS:

Como ya se ha visto, una impureza donadora o aceptora se transforma en un

ión positivo o negativo. Este está unido por enlaces covalentes con cada uno de

los cuatro átomos adyacentes y queda fijo en la red.

El electrón o el hueco sobrante quedan muy débilmente unido al ión, en un pozo

de potencial cuantizado.

Su nivel fundamental, n = 1, nivel donador ED o aceptor, EA está muy próximo

al fondo o al techo de la BC o de la BV. La energía de ionización. La agitación

térmica, a temperatura ambiente T = 300 K es del orden kBT = 0,025 eV y es

suficiente para ionizar la impureza de forma que salga del pozo el portador y

entre en la BC o en la BV el electrón o el hueco, según se trate, y se mueva por

el interior del cristal en forma de portador semilibre deslocalizado.La

concentración de impurezas regula la concentración de estos portadores, si ésta

es muy grande, mayor que 1023 m-3, se dice que el semiconductor está

degenerado y se forma un gas de portadores análogo al de Fermi en los

metales.

EAEA -

Ev

Ev

Electrones

Portador

huecos

En este ejemplo el nivel ED están ionizados en 80% y el nivel EA están

ionizados el 75%.

En el caso de la impureza P+ en el semiconductor Si. Se supone que éstos,

ión y portador, están sumergidos en un mar de átomos de Si, permitividad

relativa del Si, r = 12.

Si Si

Si Si Si

Si P+ Si

Si Si Si Si

Si

Cuando todas las impurezas están ionizadas, “saturación”, el número de portadores es prácticamente constante e igual al número de impurezas.

En el Si intrínseco ni = pi1016 m-3 al dopar con P, Nd=1021 m-3 se sigue

Nd = 1021 m-3, p =1032/1021 = 1011 m-3. Al aumentar T, por encima de los

300 K, crece el número de portadores debido a la excitación térmica

(intrínseca), y se mantienen constante los debidos a la ionización. A

temperaturas aún más elevadas, el número de portadores se debe

fundamentalmente a los generados por excitación térmica, y las dos curvas n(T)

extrínsecas e intrínsecas son asintóticas.

Con las técnicas actuales de dopados, muy precisas cualitativamente y

cuantitativamente, pueden obtenerse concentraciones de impurezas de

magnitud prefijada, y con ella concentraciones de portadores precisas, exentas

de error.

IV) SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS:

Es aquel semiconductor sin defectos cristalinos pero con impurezas añadidas (semiconductor dopado).

Tipos de impurezas:

  Dadoras: Aquellas impurezas con 1 electrón de más en la última capa.

Ejemplo: Si (3s2

, 3p2

) dopado con As (4s2

, 4p3)

  Aceptoras: Aquellas impurezas con 1 electrón de menos en la última capa.

Ejemplo: Si (3s2

, 3p2

) dopado con Ga (4s2

, 4p1

)

V) CONDUCCION DE DADORES Y ACEPTORES:

A. CONDUCCION TIPO “N” : (Dadores)

Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".

Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco.

Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batería. El número de electrones libres se llama n (electrones libres/m3).

B. CONDUCCION TIPO “P”: (Aceptores)

Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.

Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo.

En el circuito hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito. Hay tantos

huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de generación térmica (muy pocos). El número de huecos se llama p (huecos/m3).

Na: concentración de iones positivos (aceptores) Nd: concentración de iones negativos (donadores) N: concentración de electrones debido al dopado.

P: concentración de huecos debido al dopado.

VI) BIBLIOGRAFIA:

http://www.monografias.com

http://es.wikipedia.org

Introducción a la Física del Estado Sólido – Asmat Humberto

Introduction to Solid State Physics – Charles Kittel

UNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUIZ GALLO”

FACULTAD DE

CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS

Escuela Profesional de Ingeniería Electrónica

Impurezas de los Semiconductores.

CURSO : FISICA ELECTRONICA

DOCENTE : Lic. SAENZ GUARNIZ GENARO

ALUMNOS : CRUZ SAAVEDRA ALCIDES GONZALES ALVITES GUSTABO HERRERA TENORIO DAVID MEGO SAAVEDRA YOHN NAZARIO CUBAS GUILLERMO NUÑEZ MARROQUIN ROMEL ORIHUELA MOLINA JACK SALDAÑA MIRANDA CESAR SUAREZ CUEVA HANS

LAMBAYEQUE – PERÚ2010