Semiconductor

Semiconductores

Un semiconductores es un material que tiene un conductividad eléctrica entre la de un conductor y un aislador, Es decir, generalmente en el rango de 10 ³ Siemens/ cm a 10 ⁻ ⁸ S / cm. Dispositivos fabricados con materiales semiconductores son la base de la electrónica moderna, como la radio, computadoras, teléfonos, y muchos otros dispositivos. Los dispositivos semiconductores son los distintos tipos de transistor, células solares, Muchos tipos de diodos incluido el diodo emisor de luz, el silicio rectificador controlado, y digital y circuitos integrados analógicos. Los paneles solares fotovoltaicos son dispositivos semiconductores de gran tamaño que convierten directamente la energía lumínica en energía eléctrica. De un campo eléctrico externo puede cambiar de un semiconductor de la resistividad. En un conductor metálico, la corriente es transportada por el flujo de electrones. En los semiconductores, la corriente puede llevarse ya sea por el flujo de electrones o por el flujo de cargado positivamente "agujeros"En la estructura electrónica del material.

Común de materiales semiconductores son sólidos cristalinos, pero semiconductores amorfos y líquidos son conocidos, tales como las mezclas de arsénico, selenio y telurio en una variedad de proporciones. Comparten con mejor conocido semiconductores de conductividad intermedios y una rápida variación de la conductividad con la temperatura, pero carecen de la estructura cristalina de los semiconductores rígidos convencionales, tales como el silicio y así son relativamente insensibles a las impurezas y daños por radiación.

Silicio se utiliza para crear la mayoría de los semiconductores con fines comerciales. Decenas de otros materiales se utilizan, incluyendo germanio, arseniuro de galio, Y de carburo de silicio. Un semiconductor puro es a menudo llamado "intrínseco" de semiconductores. La conductividad, o capacidad para llevar a cabo, de materiales semiconductores comunes pueden ser cambiados drásticamente mediante la adición de otros elementos, llamados "impurezas" del material intrínseco funde y se permite la fusión de consolidar en un cristal nuevo y diferente. Este proceso se conoce como "dopaje".[1]

Explicar las bandas de energía de semiconductores

Hay tres formas populares para clasificar la estructura electrónica de un cristal.

• 
  
  Estructura de banda

átomos - cristal - vacío
En un solo átomo de H de un electrón reside en órbitas bien conocidas. Tenga en cuenta que las órbitas son llamados s, p, d, a fin de aumentar la corriente circular.	Poniendo dos átomos conduce a deslocalizados a través de dos órbitas de los átomos, produciendo una enlace covalente. Debido a la Principio de exclusión de Pauli, Cada estado sólo puede contener un electrón.	Esto se puede continuar con más átomos. Nota: Esta imagen muestra un metal, no de un semiconductor real.	Seguir añadiendo crea un cristal, que luego se pueden cortar en una cinta y se fusionan en los extremos para permitir que las corrientes circulares.	Para regular esta sólida estructura de la banda se puede calcular o medir.
Integrando sobre el eje k da a las bandas de un semiconductor que muestra una banda de valencia llena y una banda de conducción vacía. En general, deteniéndose en el nivel de vacío no es deseable, porque algunas personas quieren calcular: fotoemisión, fotoemisión inversa	Después de la estructura de la banda se determina los estados pueden ser combinados para generar de paquetes de onda. Como esto es análogo a los paquetes de onda en espacio libre, los resultados son similares.	Un descripción alternativa, Que en realidad no apreciar la interacción de Coulomb, brotes de electrones libres en el cristal y se ve en la dispersión.	Una tercera descripción alternativa utiliza muy localizada electrones no apareados en los enlaces químicos, que parece casi una Aislador de Mott.

Bandas de energía y la conducción eléctrica
Al igual que en otros sólidos, los electrones en los semiconductores pueden tener las energías sólo dentro de ciertas bandas (es decir, los rangos de los niveles de energía) entre la energía del estado fundamental, que corresponde a los electrones fuertemente ligados a los núcleos de los átomos del material, y el electrón libre la energía, que es la energía necesaria para un electrón para escapar por completo del material. Las bandas de energía de cada uno corresponde a un gran número de discretas estados cuánticos de los electrones, y la mayoría de los estados con baja energía (más cerca del núcleo) están llenas, hasta una banda en particular llama la banda de valencia. Semiconductores y aislantes se distinguen de los metales porque la banda de valencia en los materiales semiconductores está casi lleno, en condiciones de explotación normales, lo que causó más electrones que estén disponibles en la banda de "conducción", que es la banda inmediatamente superior de la banda de valencia.
La facilidad con la que los electrones en un semiconductor pueden ser excitados de la banda de valencia a la banda de conducción depende de la Gap Band entre las bandas, y es el tamaño de esta banda prohibida de energía que sirve como una línea divisoria arbitraria (aproximadamente el 4 eV) Entre los semiconductores y los aisladores.
En la foto de los enlaces covalentes, un electrón se mueve saltando de un vínculo más cercano. Debido a la Principio de exclusión de Pauli que tiene que ser levantado en la lucha contra el estado de mayor vinculación de ese vínculo. En la foto de estados deslocalizados, por ejemplo en una dimensión - que está en un nanocables, Para todas las energías que hay un estado con los electrones fluyen en una dirección y un estado para los electrones fluyen en la otra. Para una corriente neta a flujo de algunos estados más de una dirección que en la otra dirección tiene que ser ocupados y para que se necesita esta energía. Para un metal que puede ser una energía muy pequeña, mientras que en los semiconductores de los Estados más próximos se encuentran por encima de la brecha de la banda. A menudo esto se expresa como: bandas totalmente, no contribuyen a la conductividad eléctrica. Sin embargo, como la temperatura de un semiconductor se eleva por encima de cero absoluto, Hay más energía en los semiconductores para gastar en la vibración de celosía y - más importante para nosotros - el levantamiento de algunos electrones en un estados de energía de la banda de conducción. La corriente de transporte de electrones en la banda de conducción se conocen como "electrones libres", aunque a menudo se llama simplemente "electrones" si el contexto lo permite el uso de ser claro.
Los electrones excitados a la banda de conducción también dejan atrás agujeros de electrones, O estados desocupados en la banda de valencia. Tanto los electrones de la banda de conducción y los agujeros de la banda de valencia contribuir a la conductividad eléctrica. Los agujeros en sí no realmente, pero un electrón vecinos pueden pasar a llenar el hoyo, dejando un agujero en el lugar que acaba de llegar de, y de esta manera los agujeros parecen moverse, y los agujeros se comportan como si fueran real de las partículas con carga positiva.
Uno enlace covalente entre átomos vecinos en el sólido es diez veces más fuerte que la unión del electrón al átomo, por lo que la liberación de los electrones no implica la destrucción de la estructura cristalina.
Hoyos: la ausencia de electrones como carga de los portadores
El movimiento de agujeros, Que fue presentado para los semiconductores, también puede aplicarse a metales, Donde el Nivel de Fermi encuentra dentro de de la banda de conducción. Con la mayoría de los metales, la Efecto Hall revela los electrones que se los portadores de carga, pero algunos metales tienen una banda de conducción en su mayoría llenos, y el Efecto Hall revela los portadores de carga positiva, que no son los núcleos de iones, pero los agujeros. Comparemos esto con algunos conductores como soluciones de sales, O de plasma. En el caso de un metal, sólo una pequeña cantidad de energía es necesaria para que los electrones se encuentran otros estados para pasar a desocupados, y por lo tanto para que la corriente fluya. A veces, incluso en este caso se puede decir que un agujero quedó atrás, para explicar por qué el electrón no cae de nuevo a bajas energías: no puede encontrar un hueco. Al final, tanto en electrónica de materialesfonones de dispersión y los defectos son la principal causa de resistencia.

Distribución de Fermi-Dirac. Estados con ε la energía por debajo de la energía de Fermi, aquí μ, tienen mayor probabilidad de n a ser ocupado, y los de arriba son menos propensos a ser ocupados. Manchas de la distribución aumenta con la temperatura.

La distribución de la energía de los electrones determina cuál de los estados están llenos y que están vacíos. Esta distribución es descrito por Estadísticas de Fermi-Dirac. La distribución se caracteriza por la temperatura de los electrones, y el Energía de Fermi o Nivel de Fermi. Bajo cero absoluto las condiciones de la energía de Fermi se puede considerar como la energía hasta que se ocupan los estados electrónicos disponibles. A temperaturas más altas, la energía de Fermi es la energía en la que la probabilidad de un estado de ser ocupados se ha reducido a 0,5.

La dependencia de la distribución de energía de electrones de la temperatura también explica por qué la conductividad de un semiconductor tiene una fuerte dependencia de la temperatura, como de funcionamiento de semiconductores a temperaturas más bajas tendrá menos electrones y huecos disponibles sin poder hacer el trabajo.

De energía-momento de dispersión
En la descripción anterior, un hecho importante es ignorado en aras de la simplicidad: el dispersión de la de la energía. La razón de que las energías de los estados se amplió para convertirse en una banda es que la energía depende del valor de la vector de ondaO k-vector, Del electrón. El k-vector, en la mecánica cuántica, es la representación de la impulso de una partícula.
La relación de dispersión determina la masa efectiva, m^*, De los electrones o los agujeros en los semiconductores, de acuerdo con la fórmula:

La masa efectiva es importante ya que afecta a muchas de las propiedades eléctricas de los semiconductores, tales como el electrón o un agujero movilidad, Que a su vez influye en la difusividad de los portadores de carga y de la conductividad eléctrica de los semiconductores.
Normalmente la masa efectiva de electrones y huecos son diferentes. Esto afecta el rendimiento relativo de P-Canal y N-Canal IGFETs.^[2]
La parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción no puede producirse en ese mismo valor de la k. Materiales con esta situación, tales como silicio y germanio, Son conocidos como bandgap indirecta materiales. Materiales en los que los extremos están alineados en la banda k, Por ejemplo, arseniuro de galio, Se llaman gap directo semiconductores. Semiconductores de brecha directa son especialmente importantes en optoelectrónica porque son mucho más eficientes como emisores de luz que los materiales de brecha indirecta.

 La generación de Carrier y recombinación

Cuándo radiaciones ionizantes huelgas de un semiconductor, puede excitar un electrón de su nivel de energía y por consiguiente, deje un hueco. Este proceso se conoce como generación de electrones y huecos. Pares electrón-hueco constantemente generados a partir de la energía térmica , así, en ausencia de cualquier fuente de energía externa.
Pares electrón-hueco también son propensos a recombinarse. La conservación de la energía exige que estos eventos de recombinación, en la que un electrón pierde una cantidad de energía más grande que el Gap Band, Debe ir acompañado por la emisión de energía térmica (en forma de fonones) O la radiación (en forma de fotones).
En algunos estados, la generación y la recombinación de pares electrón-hueco se encuentran en equilibrio. El número de pares electrón-hueco en el estado estacionario a una temperatura dada se determina por la mecánica cuántica estadística. La precisa de la mecánica cuántica los mecanismos de generación y la recombinación se rigen por la la conservación de la energía y la conservación del momento.
Como la probabilidad de que los electrones y los huecos se reúnen es proporcional al producto de sus cantidades, el producto se encuentra en estado de equilibrio casi constante a una temperatura dada, siempre que no hay campo eléctrico significativo (que pueden "lavar" las compañías de ambos tipos, o moverlos de regiones vecinas que contengan más de ellos a reunirse) o Generación del par de impulsadas desde el exterior. El producto es una función de la temperatura, como la probabilidad de obtener la energía térmica suficiente para producir un aumento de par con la temperatura, siendo aproximadamente exp (-E_G / KT), donde k es La constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta y E_G es la banda prohibida.
La probabilidad de que la reunión se incrementa en las trampas de compañía - las impurezas o trastornos que pueden atrapar un electrón o un agujero y mantenerlo hasta que un par se ha completado. Las trampas de compañía en algunas ocasiones dichas propósito añadido de reducir el tiempo necesario para alcanzar el estado estacionario.
Dopaje
La propiedad de los semiconductores que los hace más útiles para la construcción de dispositivos electrónicos es que su conductividad puede ser fácilmente modificados por la introducción de impurezas en su red cristalina. El proceso de adición de impurezas controladas a un semiconductor se conoce como dopaje. La cantidad de impurezas, o dopante, añadido a una intrínseca (pura) de semiconductores varía su nivel de conductividad. Semiconductores dopados se refiere a menudo como extrínseca. Mediante la adición de impurezas a los semiconductores puros, la conductividad eléctrica pueden variar no sólo por el número de átomos de la impureza, sino también, por el tipo de átomo de impureza y los cambios pueden ser de mil millones de pliegues y pliegues. Por ejemplo, 1 cm,³ de un metal o una muestra de semiconductores tiene un número de átomos en el orden de 10²². Dado que cada átomo de metal dona al menos un electrón libre para la conducción de metal, de 1 cm³ de metal contiene electrones libres en el orden de 10²². En la temperatura cercana a 20 ° C, 1 cm³ de germanio puro contiene cerca de 4,2 × 10²² los átomos y de 2,5 × 10¹³ electrones libres y 2,5 × 10¹³ agujeros (espacios vacíos en red cristalina con carga positiva) La adición de 0,001% de arsénico (una impureza) dona un 10¹⁷ electrones libres en el mismo volumen y el aumento de la conductividad eléctrica cerca de 10.000 veces. "

 Dopantes

Los materiales elegidos como dopantes adecuados dependen de las propiedades atómicas del dopante y del material que se va dopado. En general, los dopantes que producen los cambios deseados controladas se clasifican como de electrones aceptantes o donantes. Un átomo de donantes que se activa (es decir, se incorpora en la red cristalina) dona débilmente a los electrones de valencia a la materia, la creación de negativa en exceso portadores de carga. Estos débilmente a los electrones pueden moverse en la red cristalina relativamente libre y puede facilitar la conducción en la presencia de un campo eléctrico. (Los átomos de los donantes introducir algunos estados bajo, pero muy cerca del borde de la banda de conducción. Electrones en estos estados pueden ser fácilmente excitado a la banda de conducción, convirtiéndose en electrones libres, a temperatura ambiente.) Por el contrario, un receptor activado produce un agujero. Semiconductores dopados con donantes impurezas se llama N-Type, Mientras que los dopados con aceptor impurezas que se conoce como tipo-p. El n y de las denominaciones de tipo p indican que actúa como portador de carga del material de portadores mayoritarios. El transportista opuesto se llama el portadores minoritarios, Que existe debido a la excitación térmica en una concentración mucho más baja en comparación con la compañía de la mayoría.
Por ejemplo, los semiconductores puros silicio tiene cuatro electrones de valencia. En el silicio, los dopantes más comunes son los IUPAC grupo 13 (comúnmente conocido como grupo III) Y Grupo 15 (comúnmente conocido como grupo V) Elementos. Grupo de 13 elementos contienen tres electrones de valencia, haciendo que funcionan como receptores de silicio cuando se utiliza para la droga. Grupo de 15 elementos tiene cinco electrones de valencia, lo que les permite actuar como un donante. Por lo tanto, un cristal de silicio dopado con boro crea un P-mientras que un tipo de semiconductor dopado con fósforo resultados en un material de tipo n.

 Concentración de portadores

La concentración de dopante introducido en un semiconductor intrínseco determina su concentración y afecta indirectamente a muchas de sus propiedades eléctricas. El factor más importante que el dopaje afecta directamente a la compañía es la concentración del material. En un semiconductor intrínseco en equilibrio térmico, la concentración de electrones y huecos es equivalente. Es decir,

n = p = n_i

Si tenemos un no-semiconductor intrínseco en equilibrio térmico, la relación se convierte en:

n₀P ·₀ = (N_i)²

Dónde n₀ es la concentración de la realización de los electrones, p₀ es la concentración de huecos de electrones, y de n_i es la concentración de portadores intrínseca del material. Concentración de portadores intrínseca varía entre los materiales y depende de la temperatura. Silicon n_i, Por ejemplo, es aproximadamente 1,5 × 10¹⁰ cm^-3 a 300 kelvin (temperatura ambiente).
En general, un aumento en la concentración de dopaje permite un aumento en la conductividad debido a la mayor concentración de compañías disponibles para la conducción. Degenerately (muy alto) semiconductores dopados tienen niveles de conductividad comparable a los metales y se utilizan a menudo en los modernos circuitos integrados como un reemplazo de metal. A menudo, además de superíndice y símbolos menos se usa para designar a la concentración relativa de dopaje en los semiconductores. Por ejemplo, n⁺ denota un semiconductor tipo n con un nivel elevado, a menudo degeneran, el dopaje de concentración. Del mismo modo, p^-- indique un p dopado muy ligeramente material de tipo. Es útil señalar que incluso degenerar niveles de dopaje implican bajas concentraciones de impurezas con respecto a la base de semiconductores. En el silicio cristalino intrínseco, hay aproximadamente 5 × 10²² átomos / cm ³. Dopaje de concentración de semiconductores de silicio puede oscilar entre 10¹³ cm^-3 a 10¹⁸ cm^-3. La concentración de dopaje por encima de los 10¹⁸ cm^-3 se considera degenerado a temperatura ambiente. Degenerately silicio dopado contiene una proporción de impurezas al silicio en el orden de partes por mil. Este porcentaje podrá ser reducido a partes por mil millones en el silicio muy ligeramente contaminado. Los valores de concentración típica caída en alguna parte de esta gama y están adaptados para producir las propiedades deseadas en el dispositivo que el semiconductor va destinado.

 Efecto sobre la estructura de la banda

Diagrama de banda de operación de unión PN en el modo de polarización que muestra la reducción de ancho de agotamiento. Tanto P y cruces n son dopados a un nivel de 1e15/cm3 dopaje, lo que integrado en el potencial de ~ 0.59V. La reducción de ancho de agotamiento se puede deducir de la reducción del perfil de carga, ya que menos dopantes son expuestas con polarización creciente.

Dopaje un cristal semiconductor introduce permitió a los estados de energía dentro de la banda prohibida, pero muy cerca de la banda de energía que corresponde al tipo de dopante. En otras palabras, las impurezas de los donantes de crear estados cercanos a la banda de conducción, mientras que los estados receptores de crear cerca de la banda de valencia. La brecha entre estos estados de energía y de la banda más cercana de la energía que normalmente se conoce como dopante de energía de unión sitio o E_B y es relativamente pequeño. Por ejemplo, el E_B para boro en grandes cantidades de silicio es 0,045 eV, en comparación con la banda prohibida de silicio, de alrededor de 1,12 eV. Porque E_B es tan pequeño, se necesita poca energía para ionizar los átomos dopantes y crear portadores libres en la conducción o bandas de valencia. Normalmente se dispone de la energía térmica a temperatura ambiente es suficiente para ionizar la mayoría de los dopante.
Dopantes tienen también el importante efecto del cambio de nivel de Fermi del material hacia la banda de energía que se corresponde con el dopante con la mayor concentración. Dado que el nivel de Fermi debe ser constante en un sistema en el equilibrio termodinámico, Las capas de apilamiento de los materiales con diferentes propiedades lleva a muchas propiedades útiles eléctricos. Por ejemplo, el p-n de unión's propiedades se deben a la banda de energía de flexión que ocurre como resultado de alinear los niveles de Fermi en contacto con las regiones de tipo p y n-material tipo.
Este efecto se muestra en una diagrama de banda de. El diagrama de banda normalmente indica la variación en la banda de valencia y los bordes de la banda de conducción frente a una dimensión espacial, a menudo denotado x. La energía de Fermi es también generalmente se indica en el diagrama. A veces la energía de Fermi intrínseco, E_i, Que es el nivel de Fermi en la ausencia de dopaje, se muestra. Estos diagramas son útiles para explicar el funcionamiento de muchos tipos de dispositivos semiconductores.

 Preparación de materiales semiconductores

Semiconductores con predecible, propiedades electrónicas confiables son necesarios para la producción en masa. El nivel de pureza química necesaria es muy alta debido a la presencia de impurezas, incluso en proporciones muy pequeñas pueden tener grandes efectos en las propiedades del material. Un alto grado de perfección cristalina también es necesaria, ya que las fallas en la estructura de cristal (como dislocaciones, gemelos, Y defectos de apilamiento) Interfieren con las propiedades semiconductoras de este material. Defectos cristalinos son una causa importante de dispositivos semiconductores defectuosas. Cuanto mayor sea el cristal, el más difícil es lograr la perfección necesaria. La producción en masa los actuales procesos de uso del cristal lingotes entre 100 mm y 300 mm (4-12 pulgadas) de diámetro, que se cultivan como cilindros y cortada en obleas.
Debido al nivel requerido de pureza química y la perfección de la estructura del cristal que se necesitan para hacer que los dispositivos semiconductores, métodos especiales se han desarrollado para producir el material semiconductor inicial. Una técnica para el logro de alta pureza incluye el crecimiento del cristal con el Proceso Czochralski. Un paso adicional que se puede utilizar para aumentar aún más la pureza que se conoce como refinado de la zona de. En las refinerías de la zona, parte de un cristal sólido se derrita. Las impurezas tienden a concentrarse en la región fundido, mientras que el material deseado se recristaliza dejando el material sólido más puro y cristalino, con menos fallas.
En la fabricación de dispositivos semiconductores de la participación heterouniones entre los materiales semiconductores diferentes, la constante de red, Que es la longitud del elemento repetitivo de la estructura de cristal, es importante para determinar la compatibilidad de los materiales.
Anderson Jose Mariño Ortega
C.I. 17.456.750
E.E.S.
http://en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor