Fisica de Semiconductores

 

Física de semiconductores Jesús Uriel Guerrero Barajas  Instituto Tecnológico Tecnológico Superior De Irapuato Irapuato  Irapuato, Guanajuato, Guanajuato, México guerrerouriel68gmail.com  Abstract —

In this work, we expose the need to undertake content or topics aimed at integrating the basic notions of  semiconductor physics. This is to serve as a complement and support to the study of electronics in the area of technology. In th this is sens sense, e, we pres presen entt th the e resu result lts s of a se sear arch ch for for information about the behavior of semiconductors.

El átomo es denominado como la partícula fundamental  ya que es la unidad constituyente constituyente más pequeña de la materi mat eriaa con que existencia tie tiene ne las propia propie propiedad dades es está de un ele eleme mento nto químico y que considerada como indivisible e indeleble.4

ResumenResume n- En este este tr trabaj abajo, o, exp expone onemos mos la necesi necesidad dad de empren emp render der con concep ceptos tos o temas temas orient orientado ados s a integr integrar ar las nociones nocio nes básicas básicas de física física de semi semicondu conductor ctores. es. Ello tiene como objetivo servir de complemento y apoyo al estudio de la elec electr trón ónic ica a en el área área de tecn tecnol olog ogía ía.. En es este te sent sentid ido, o, presentamos los resultados de una búsqueda de información acerca del comportamient comportamiento o de los semiconductores.

I. INTRODUCCIÓN En la electrónica se ve mucho el funcionamiento de los aparatos y sus componentes, pero nunca logramos ver el comportamiento físico de los materiales que conforma los componentes, Sin embargo, la electrónica no habría alcanzado los altos niveles de desarrollo, hoy conocidos, de no ser por los importantes avances logrados en la fís físic icaa de los princi principale paless mater material iales es emplea empleados dos en la fa fabr briicaci ación de com compo pon nente entess elec lectró trónic nicos os:: los los semiconductores. En la actualidad los materiales pueden dividirse en tres grandes clases según la conducción de corriente de cada uno de ellos:  Aislantes: no permiten un buen flujo de corriente. Co Cond nduc ucto tore res: s: pu pued eden en su sust sten enta tarr un fluj flujoo de corriente. Semicon Sem iconduct ductores: ores: son moderada moderadament mentee buenos buenos para el flujo de corriente. Exist xisteen dos cua uali lid dad ades es de los los mate aterial rialees pa para ra caract car acteri erizar zarlos los según según la condu conducc cción ión de corrie corriente nte:: la resistividad eléctrica y la conductividad eléctrica. Es así qu quee los los ai aisl slan ante tess son son alta altame ment ntee resi resist stiv ivos os y lo loss conductores altamente conductivos. Los semiconductores se diferencian de los aislantes en la posibilidad de conducir corriente y de los conductores en el método de conducción de la corriente. Los conductores po pose seen en elec electr tron ones es li libr bres es pa para ra la cond conduc ucci ción ón y lo loss semiconductores poseen tanto electrones como huecos (ausencia de un electrón). Materiales semiconductores típicos son el silicio (Si), el germanio (Ge) y el arseniuro de galio (GaAs).1 II. DESARROLLO Semic Sem icond onduc uctor tores: es: Materi Materiale aless como como el silic silicio, io, galio galio o selenio, arseniuro de galio, etc., cuya resistencia al paso de la corriente depende de factores como la temperatura,

 Figura 1. El átomo 

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En los átomos, los electrones están distribuidos en niveles de energía estacionaria o fija. Los electrones se mueven alrededor del núcleo si sin n perd perder er ni gana ganarr en ener ergí gíaa y so solo lo lo hace hacen n cuando pasan de un nivel a otro. Un nive nivell de ener energí gíaa es está tá fo form rmad adoo po porr igua iguall número de sub-niveles, los cuales constan de uno o más orbitales.

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Un or orbi bita tall se ll llen enaa con con do doss el elec ectr tron ones es con con rotación contraria.

El NUMERO ATÓMICO de un elemento se refiere a la cantidad de electrones o protones en cada átomo. Por ejemplo el Fe tiene 26 electrones y 26 protones, NA  =26.2

A trav través és de dell de desa sarr rrol ollo lo de la físi física ca,, los los mode modelo loss atómic ató micos os han incorp incorpora orado do pri princi ncipio pioss cuánti cuánticos cos para para explicar y predecir mejor su comportamiento. - Cada átomo se compone de un núcleo y uno o más electrones unidos al núcleo. - El núcleo está compuesto de uno o máss prot má proton ones es y tí típi pica came ment ntee un nú núme mero ro si simi mila larr de neutrones. - Los protones y los neutrones son llamados nucleones. - Más del 99,94 % de la masa del átomo está en el núcleo. - Los protones tienen una carga eléctrica  positiva. - Los electrones tienen una carga eléctrica negativa y los neutrones tienen ambas cargas eléctricas, ha haci cién éndo dolo loss ne neut utro ros. s. - Si el númer número o de prot proton ones es y electr ele ctron ones es son iguale iguales, s, ese átomo átomo es eléctr eléctrica icamen mente te neutro. Si un átomo tiene más o menos electrones que la tensión el grado se ap apli lic ca. Comecánica n el ello loss ose fa fabbric ricde an iluminación micro icrocchips hipsque pa para ra  protones, entonces tiene una carga global negativa o 3 ordenadores y circuitos de puertas lógicas.  positiva, respectivamente, y se denomina ion (anión si

 

es negativa y catión si es positiva). Los electrones de un átom átomo o son son at atra raíd ídos os po porr lo loss pr prot oton ones es en un nú núcl cleo eo atómico por esta fuerza electromagnética. Los protones y los neutrones en el núcleo son atraídos el uno al otro  por una fuerza diferente, la fuerza nuclear, que es generalmente más fuerte que la fuerza electromagnética que repele los protones cargados positivamente entre sí. 4

CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA  eléctrica eso la capacidad que tiene sLa usconductividad tancia mateuna rial para permitir el paso de corriente eléctrica a través de sí, es de decir cir,, de transp transport ortare arelec lectro trones nes.. Es Esta ta propie propiedad dad natu natura rall es está tá vi vinc ncul ulad adaa a la fa faci cili lida dad d con con la qu quee lo loss electrones pueden atravesarlos y resulta inversa a la re resi sist stiv ivid idad ad y su unid unidad ad es el S/m. S/m. Es impo import rtan ante te diferenciar entre la conductividad y la conductancia, la conductancia es la propiedad de la l a resistencia.4 Estructura del silicio, germanio,  Figura 2. Estructura germanio, galio y arsénico

Los conductores eléctricos varían según la temperatura y  las estructuras atómicas y moleculares de las sustancias En el germanio y el silicio hay cuatro electrones en la capa más externa, los cuales se conocen como electrones o materiales. de valencia. El galio tiene tres electrones de valencia y el Lo Loss semi semico cond nduc ucto tore ress son son una una clas clasee espe especi cial al de arsénico cinco. Los átomos que tienen cuatro electrones de valencia se llaman tetravalentes; los de tres se llaman elementos cuya conductividad se encuentra entre la de un buen conductor y la de un aislante. Los tres semiconductores más frecuentemente utilizados en la construcción de dispositivos electrónicos son Ge, Si y GaAs.5

ENLACE COVALENTE Y MATERIALES MATERIALES INTRÍNSECOS ● Para apreciar plenamente por qué Si, Ge y GaAs son los semic semicond onduct uctore oress mas utiliz utilizado adoss por la indust industria ria electrónica, hay que entender la estructura atómica de cada uno y cómo están enlazados los átomos entre sí para formar una estructura cristalina. Todo átomo se compone de tres partículas básicas: electrón, protón y  neutrón. En la estructura entrelazada, los neutrones y  los protones forman el núcleo; los electrones aparecen en órbitas fijas alrededor de éste. El modelo de Bohr de los tres materiales aparece en la figura 2. 5

trivalentes, y los se deutiliza cinco para se llaman pentavalentes. El término valencia indicar que el potencial (pot (poten enci cial al de io ioni niza zaci ción ón)) re requ quer erid idoo para para re remo move verr cualquiera de estos electrones de la estructura atómica es significativamente más bajo que el requerido para cualquier otro electrón en la estructura.5

covalente ente del átomo de silicio. silicio.  Figura 3. Enlace coval

SEMICONDUCTORES INTRÍNSECO  ext Tam amb bién iéadame n mente se con ono ocenson ccri omo om o les se sem mico icoposee nduc ndeen uctntor ores es extrem remada nte puros, pur os, crista stales que pos un único tipo de átomo y que a través de enlaces covalentes entre sus átomos, desarrollan una estructura de tipo

 

tetraédrico. A temperatura de ambiente, estos cristales tienen electrones que absorben la energía que necesitan paraa pasar par pasar a la banda banda de conduc conducció ción, n, qued quedand andoo un hueco hue co de ele electr ctrón ón en la banda banda de valen valencia cia.. Los más más empleados son el germanio (Ge) y el silicio (Si), siendo el silicio más utilizado por ser mucho más abundante y  po pod der tra rabbaja ajar a tempe empera ratu tura rass mayo yore ress que el 4 germanio.

1. https://omarai.wordpress.com/conceptos2. 3.

4. 5.

6.

 Figura 4. Enlace atómi atómico co de silicio.

SEMICONDUC SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS: EXTRÍNSECOS: MATERIALES MATERIALES TIPO n Y TIPO TORES p Semicond Semi conducto uctores res extrínsec extrínsecos. os. Si a un semicond semiconducto uctorr intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pe pent ntav aval alen ente tes, s, el semi semico cond nduc ucto torr se deno denom mina ina extrínseco, y se dice que está dopado. Las impurezas de debe berá rán n form formar ar pa part rtee de la es estr truc uctu tura ra cris crista tali lina na sustituyendoo al correspondiente átomo de silicio. sustituyend Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones). Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portad por tadore oress de carga carga libres libres (en este este caso caso positi positivos vos o 6 huecos). III. CONCLUSIONES En análisis expuesto nos hace reflexionar acerca de la importancia de los semiconductores y lo importante que es conocer la estructura de los materiales atómicamente, gracias a estos conocimientos se han podido desarrollar compon com ponent entes es ele electr ctróni ónicos cos que que ayudan ayudan a mejora mejorarr la tecnología, ya sea desde un material adecuado pero con mejo me jorr efic eficie ienc ncia ia pa para ra dich dichas as cara caract cter erís ísti tica cass como como comp compon onen ente tess qu quee cu cump mpla lan n cier cierta tass fu func ncio ione ness pa para ra conduccioness eléctricas conforme a una polarización. conduccione EFERENCIAS  VI. R EFERENCIAS

teoricos/semiconductores/introduccion-a-la-fisica-de-lossemiconductores/ http://webdelprofesor.ula.ve/in http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/urbinajp/Archivos genieria/urbinajp/Archivos %20para%20descargar/Estructura%20atomica.pdf  WILS WILSON ON FABI FABIAN AN ER ERAZ AZO OM MU UÑOZ, FISICA DE SEMICONDUCTORES, ACTIVIDAD DE RECONOCIMIENTO, 2015,  UNIVERSIDAD NACIONAL  ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD. UNAD. https://www.academia.edu/38437407/fisica_de_los_semic onductores ROBERT ROBERT L L.. BOY BOYLES LESTAD TAD,, LOU LOUIS IS NA NASHE SHELSK LSKY. Y. (2009) (2009).. Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. México: Pearson. https://itaraul.jimdo.com/app/download/9463163269/Uni https://itaraul.jimdo.com/app/download/946316326 9/Uni dad_1-Unidad_2.pdf?t=1541701569