Semiconductores en equilibrio

 Introducción
Antes de abordar de lleno el estudio de componentes activos, se debe hacer una pequeña introducción sobre su comportamiento interno ,es decir, sobre sus características físicas.
Para comenzar el estudio hay que hablar de los materiales semiconductores que se utilizan en la actualidad para la fabricación de los distintos dispositivos. El material semiconductor por excelencia en la actualidad es el silicio, aunque también hay otros como el arseniuro de galio (GaAs) que tienen una gran importancia para dispositivos de características especiales (para alta frecuencia, dispositivos optoelectronicos, ...), el selenio, el germanio, el seleniuro de cinc y el telururo de plomo.

Estructura cristalina del Silicio

Las razones principales para el uso del silicio son, la abundancia con la que se encuentra en la naturaleza (arena de cuarzo), las facilidades para su manejo y procesamiento, además de su características eléctricas muy estables.
Formación de electrones y de huecos
Este conjunto sería del tipo N, ya que deja un electrón libre pues le sobra del enlace, con lo que el átomo (azul) se convierte en un ión positivo al mismo tiempo que contribuye con la generación de un electrón libre, a este átomo lo representaremos:

En el caso del tipo P, dejaría un hueco libre, con lo que el átomo se convierte en un ión negativo al mismo tiempo que contribuye con la generación de un hueco libre, a este átomo lo representaremos:

Incremento de la conductividad en los materiales
El incremento de la conductividad provocado por los cambios
de temperatura, la luz o las impurezas se debe al aumento del número de electrones de electrones conductores que transportan la corriente eléctrica.
En un semiconductor característico o puro como el silicio, los electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están emparejados y son compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido. Estos electrones de valencia no están libres para transportar corriente eléctrica. Para producir electrones de conducción, se utiliza la luz o la temperatura, que excita los electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden transmitir la corriente. Las deficiencias o huecos que quedan contribuyen al flujo de la electricidad (se dice que estos huecos transportan carga positiva). Éste es el origen físico del incremento de la conductividad eléctrica de los semiconductores a causa de la temperatura.

Concentración de portadores mayoritarios y minoritarios en función de la temperatura a) tipo n b) tipo p
El dopado es otra forma de obtener electrones para el transporte de electricidad que consiste en añadir impurezas al semiconductor. La diferencia del número de electrones de valencia entre el material dopante (tanto si acepta como si confiere electrones) y el material receptor hace que crezca el número de electrones de conducción negativos (tipo n) o huecos positivos (tipo p).
Dentro de este apartado podemos ampliar diciendo que existen varias formas de dopar un material semiconductor con impurezas: Implantación ionica, unión de aleación, crecimiento epitaxial y difusión térmica.
Se muestran a continuación a modo de curiosidad cada una de estas técnicas de dopado.

Unión de aleación

Es un proceso mediante el cual se parte de un material semiconductor sobre el que se coloca un material dopante y se calienta el conjunto hasta que reaccionan los dos materiales

a) aleación de aluminio sobre silicio tipo n b) fusión de a) c) sección transversal después del proceso
En este momento se puede hacer una clasificación según sea el tipo de material semiconductor:
-Semiconductor intrínseco, es un semiconductor puro, es decir, no ha sido dopado con impurezas ni aceptoras ni donadoras lo que quiere decir que su estructura cristalina es totalmente homogénea.
-Semiconductor extrínseco, es un material semiconductor puro al que se le introducen de forma controlada (dopado) impurezas donadoras (átomos que ceden electrones libres) o impurezas aceptoras (átomos que "generan" un hueco)


Material semiconductor (Si) dopado con impurezas donadoras (P)
Cada átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia. Se requieren dos para formar el enlace covalente. En el silicio tipo n, un átomo como el del fósforo (P), con cinco electrones de valencia, reemplaza al silicio y proporciona electrones adicionales. En el silicio tipo p, los átomos de tres electrones de valencia como el aluminio (Al) provocan una deficiencia de electrones o huecos que se comportan como electrones positivos. Los electrones o los huecos pueden conducir la electricidad.


Silicio tipo P y silicio tipo N separados
Se pueden introducir ahora algunas características importantes de la union semiconductora :
- Concentración volumétrica de portadores libres, esta cantidad es la que indica si el material tratado es conductor, semiconductor o aislante
- La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes.
- La movilidad, es la capacidad que tienen los portadores de carga para desplazarse dentro del material semiconductor. Esta propiedad varia con la temperatura de forma inversamente proporcional. La ecuación que une estas definiciones es:

Donde - σ es la conductividad expresada en (1/Ω cm)
- c es la concentración volumétrica en cm^-3
- q es la carga del electrón que es 1.6x 10^-19 C
- μ es la movilidad de los portadores en cm² / V_s
A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales.
Antes de definir las ecuaciones que relacionan todos estos conceptos de dopado, es importante definir unos conceptos básicos para la correcta interpretación del funcionamiento interno del material.
-Portadores mayoritarios y portadores minoritarios, en el caso de un semiconductor tipo n, los electrones son mayoritarios y los huecos son minoritarios, y al contrario sucederá en un semiconductor tipo p.
Semiconductor tipo n:
n = p + N⁺_D ≅ p + N_D
- en el caso de dopado tipo n la concentración de impurezas será mucho mayor que la concentración
intrínseca del material luego : n ≅ N_D
De forma idéntica se obtiene para el semiconductor tipo p: p ≅ N_A
n – numero de electrones libres
p – numero de huecos
N_A concentración de impurezas aceptoras en el semiconductor
N_D concentración de impurezas donadoras en el semiconductor
N⁺_D concentración de impurezas donadoras ionizadas
En un semiconductor intrínseco se tiene la misma cantidad de electrones que de huecos, por lo tanto:
n = p = n_i , donde n_i es la concentración intrínseca del material


Implantación iónica
La implantación ionica es una técnica para introducir impurezas en el sustrato cristalino, por bombardeo directo de átomos ionizados de impurezas que se aceleran por medio de un campo eléctrico muy grande. Para delimitar las áreas de bombardeo se realiza un largo y delicado proceso llamado fotolitografia. Aquí mostramos un pequeño resumen de este proceso.

Fotolitografia exposición de fotorresina b) fotorresina de revelado, c) dióxido de silicio grabado d) ventana en el dióxido de silicio.
Difusión térmica
Es un método mediante el cual las impurezas se difunden en forma de gas a una temperatura elevada sobre el sustrato introduciéndose así en él y dopando el material.

a)ventana de dióxido de silicio, b) corte transversal antes de la difusión c) corte transversal después de la difusión de impurezas tipo p

diodo pn corte transversal

Justo a partir de este momento sen van a unir un semiconductor tipo n con uno tipo p, lo que dará lugar a una unión p-n que es lo que se muestra a continuación:

Silicio tipo p y silicio tipo n unidos.- UNIÓN p-n en equilibrio
Una vez producida la unión de los dos semiconductores, los electrones libres del semiconductor tipo n, cruzan la unión y se recombinan con los huecos libres del semiconductor tipo p, así mismo, los huecos libres del p pasan al n para recombinarse. En este proceso de unión de semiconductores extrínsecos, existirán las siguientes corrientes de recombinación: la de electrones que pasa de n a p, y la de huecos del p al n. Una vez conseguido el equilibrio, estas corrientes ya no existirán teniendo por tanto una corriente nula.
Según este proceso, la zona n próxima a la unión ha perdido electrones y por tanto queda cargada positivamente. De igual forma la zona p próxima a la unión ha perdido huecos, con lo que queda cargada negativamente.
Al quedar la zona n próxima a la unión cargada positivamente, rechazará a los huecos de la zona p que quieren atravesar la unión. Exactamente igual la zona p próxima a la unión impedirá el paso de los electrones provenientes de la zona n, es decir llegamos a la conclusión anterior de una unión en equilibrio.
A esta zona próxima a la unión metalúrgica en ambos semiconductores se le denomina zona de transición y es donde se producen los cambios de potencial de una zona a otra, donde se acumula la carga eléctrica, y donde se crea el campo eléctrico.
Existen varios tipos de uniones para los dos tipos de semiconductores, se deben tener en cuenta los estos tipos de uniones según su perfil de concentración de impurezas. Se pueden dar;
Union abrupta a)
Union lineal o gradual b)
Union real c)
En las siguientes figuras se muestra una unión p-n con sus concentraciones a ambos lados de la unión, así como también los tres tipos de uniones que se pueden dar. Aquí se debe observar que tanto la unión a) como la b) son aproximaciones teóricas a la real c) utilizadas para el estudio teórico

Concentración de impurezas en una unión p-n

Tipos de uniones a) unión abrupta b) unión gradual c) unión real
En la mayoría de los casos se hace un estudio de la unión abrupta o de la gradual de la unión p-n.


Pablo Jose Mago
C.I 18146112
EES


Fuente: http://80.24.233.45/Semiconductores/pag1.htm