Un semiconductor es un material que, en términos de conductividad específica, ocupa una posición intermedia entre los conductores y los dieléctricos, y se diferencia de los conductores (metales) por una fuerte dependencia de la conductividad específica de la concentración de impurezas, la temperatura y la exposición a varios tipos de radiación. La propiedad principal de los semiconductores es el aumento de la conductividad eléctrica con el aumento de la temperatura.
Los semiconductores son sustancias cristalinas con una banda prohibida del orden de un electrón voltio (eV). Por ejemplo, el diamante se puede atribuir a los semiconductores de brecha ancha (alrededor de 7 eV ), y el arseniuro de indio , a los de brecha estrecha (). 0,35 eV Los semiconductores incluyen muchos elementos químicos (germanio, silicio , selenio , telurio, arsénico y otros), una gran cantidad de aleaciones y compuestos químicos (arseniuro de galio, etc.).
Un átomo de otro elemento químico en una red cristalina limpia (por ejemplo, un átomo de fósforo, boro, etc. en un cristal de silicio) se denomina impureza . Dependiendo de si el átomo de impureza cede un electrón al cristal (fósforo en el ejemplo anterior) o lo captura (boro), los átomos de impureza se denominan donadores o aceptores . La naturaleza de una impureza puede cambiar según el átomo de la red cristalina que reemplaza, en qué plano cristalográfico está incrustado.
La conductividad de los semiconductores depende de la temperatura. Cerca de la temperatura del cero absoluto , los semiconductores tienen las propiedades de los dieléctricos .
Los semiconductores se caracterizan por las propiedades tanto de los conductores como de los dieléctricos . En los cristales semiconductores, los átomos establecen enlaces covalentes (es decir, un electrón en un cristal de silicio está unido por dos átomos) y los electrones necesitan un nivel de energía interna para ser liberados del átomo (1,76⋅10 −19 J frente a 11,2⋅10 −19 J que y caracteriza la diferencia entre semiconductores y dieléctricos). Esta energía aparece en ellos cuando aumenta la temperatura (por ejemplo, a temperatura ambiente, el nivel de energía del movimiento térmico de los átomos es de 0,04⋅10 −19 J), y los electrones individuales reciben energía para desprenderse del núcleo. Al aumentar la temperatura aumenta el número de electrones libres y huecos, por lo tanto, en un semiconductor que no contiene impurezas, la resistividad eléctrica disminuye. Convencionalmente, se acostumbra a considerar como semiconductores a los elementos con una energía de enlace de electrones inferior a 1,5-2 eV. El mecanismo de conducción de electrones se manifiesta en semiconductores intrínsecos (es decir, sin impurezas). Se llama conductividad eléctrica intrínseca de los semiconductores.
Cuando se rompe el enlace entre el electrón y el núcleo, aparece un espacio libre en la capa electrónica del átomo. Esto provoca la transferencia de un electrón de otro átomo a un átomo con espacio libre. El átomo, del que ha pasado el electrón, entra otro electrón de otro átomo, etc. Este proceso está determinado por los enlaces covalentes de los átomos. Así, hay un movimiento de una carga positiva sin mover el átomo mismo. Esta carga positiva condicional se llama hueco .
Por lo general, la movilidad de los huecos en un semiconductor es menor que la movilidad de los electrones.
Entre la banda de conducción E p y la banda de valencia E en existe una zona de valores prohibidos de la energía del electrón E s . La diferencia E p − E in es igual a la brecha de banda E s . Con un aumento en el ancho de E s , el número de pares electrón-hueco y la conductividad del semiconductor intrínseco disminuyen y la resistividad aumenta.
La movilidad es el coeficiente de proporcionalidad entre la velocidad de deriva de los portadores de corriente y la magnitud del campo eléctrico aplicado.
En este caso, en términos generales, en cristales anisotrópicos la movilidad es un tensor con componentes
La movilidad de los electrones y huecos depende de su concentración en el semiconductor (ver figura). A una alta concentración de portadores de carga , aumenta la probabilidad de colisión entre ellos, lo que conduce a una disminución de la movilidad, pero a pesar de la disminución de la movilidad, la conductividad aumenta con un aumento en el grado de dopaje, ya que se compensa la disminución de la movilidad. por un aumento en la concentración de portadores de carga.
La unidad de movilidad es m² /( V s ) en SI o cm / (V s) en CGS .
En el equilibrio termodinámico, la concentración de electrones de un semiconductor está relacionada con la temperatura mediante la siguiente relación:
dónde:
- constante de Planck ; es la masa del electrón ; es la temperatura absoluta ; es el nivel de la banda de conducción; es el nivel de Fermi .Además, la concentración de agujeros en un semiconductor está relacionada con la temperatura por la siguiente relación:
dónde:
es la constante de Planck . es la masa efectiva del hueco; es la temperatura absoluta ; es el nivel de Fermi ; es el nivel de la banda de valencia.La concentración intrínseca está relacionada con y por la siguiente relación:
Los semiconductores en los que aparecen electrones libres y "agujeros" en el proceso de ionización de los átomos a partir de los cuales se construye todo el cristal se denominan semiconductores con conductividad intrínseca. En semiconductores con conductividad intrínseca , la concentración de electrones libres es igual a la concentración de "agujeros".
La conductividad está relacionada con la movilidad de las partículas mediante la siguiente relación:
donde es la resistencia específica, es la movilidad de los electrones , es la movilidad de los huecos, es su concentración, q es la carga eléctrica elemental (1.602⋅10 −19 C).
Para un semiconductor intrínseco, las concentraciones de portadores son las mismas y la fórmula toma la forma:
Conductividad de impurezasPara crear dispositivos semiconductores , a menudo se utilizan cristales con conductividad de impurezas . Dichos cristales se fabrican introduciendo impurezas con átomos de un elemento químico trivalente o pentavalente.
El término "tipo n" proviene de la palabra "negativo", que denota la carga negativa de los portadores mayoritarios. Este tipo de semiconductor tiene una naturaleza de impurezas. Una impureza de un semiconductor pentavalente (por ejemplo, arsénico ) se agrega a un semiconductor tetravalente (por ejemplo, silicio ). En el proceso de interacción, cada átomo de impureza entra en un enlace covalente con átomos de silicio. Sin embargo, no hay lugar para el quinto electrón del átomo de arsénico en los enlaces de valencia saturados, y pasa a la capa electrónica lejana. Allí, se necesita una cantidad menor de energía para separar un electrón de un átomo. El electrón se desprende y queda libre. En este caso, la transferencia de carga la realiza un electrón, no un hueco, es decir, este tipo de semiconductores conducen la corriente eléctrica como los metales. Las impurezas que se agregan a los semiconductores, como resultado de lo cual se convierten en semiconductores de tipo n, se denominan donantes .
La conductividad de N-semiconductores es aproximadamente igual a:
Semiconductores de orificio (tipo p)El término "tipo p" proviene de la palabra "positivo", que denota la carga positiva de los portadores mayoritarios. Este tipo de semiconductores, además de la base de impurezas, se caracteriza por la naturaleza hueca de la conductividad. Se agrega una pequeña cantidad de átomos de un elemento trivalente (por ejemplo, indio ) a un semiconductor tetravalente (por ejemplo, silicio ). Cada átomo de impureza establece un enlace covalente con tres átomos de silicio vecinos. Para establecer un enlace con el cuarto átomo de silicio, el átomo de indio no tiene un electrón de valencia, por lo que captura un electrón de valencia de un enlace covalente entre átomos de silicio vecinos y se convierte en un ion con carga negativa, como resultado de lo cual se forma un agujero. . Las impurezas que se añaden en este caso se denominan impurezas aceptoras .
La conductividad de los semiconductores p es aproximadamente igual a:
Un diodo semiconductor consta de dos tipos de semiconductores: hueco y electrónico. Durante el contacto entre estas regiones, los electrones pasan de la región con el semiconductor tipo n a la región con el semiconductor tipo p, que luego se recombinan con los huecos. Como resultado, surge un campo eléctrico entre las dos regiones, que establece el límite para la división de los semiconductores, la llamada unión pn . Como resultado, surge una carga no compensada de iones negativos en la región con un semiconductor de tipo p, y una carga no compensada de iones positivos surge en la región con un semiconductor de tipo n. La diferencia entre los potenciales alcanza 0,3-0,6 V.
La relación entre la diferencia de potencial y la concentración de impurezas se expresa mediante la siguiente fórmula:
donde es el estrés termodinámico, es la concentración de electrones, es la concentración de huecos, es la concentración intrínseca [1] .
En el proceso de aplicar voltaje con un positivo al semiconductor p y un negativo al semiconductor n, el campo eléctrico externo se dirigirá contra el campo eléctrico interno de la unión pn y, con suficiente voltaje, los electrones vencerán la unión pn, y aparecerá una corriente eléctrica en el circuito del diodo (conducción directa, el diodo pasa la máxima corriente eléctrica). Cuando se aplica voltaje negativo a la región con un semiconductor tipo p y positivo a la región con un semiconductor tipo n, surge una región entre las dos regiones que no tiene portadores de corriente eléctrica libres (conducción inversa, el diodo resiste el paso de corriente eléctrica). La corriente inversa de un diodo semiconductor es cercana a cero, pero no cero, ya que siempre hay portadores de carga menores en ambas regiones. Para estos transportistas, la unión pn estará abierta.
Por lo tanto, la unión pn exhibe las propiedades de conducción unidireccional , que se produce al aplicar voltaje con diferentes polaridades. Esta propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna .
Un transistor es un dispositivo semiconductor que consta de dos regiones con semiconductores de tipo p o n, entre las cuales hay una región con un semiconductor de tipo n o p. Por tanto, hay dos regiones de la unión pn en el transistor.
La siguiente tabla proporciona información sobre un gran número de elementos semiconductores y sus conexiones, divididos en varios tipos:
Todos los tipos de semiconductores tienen una dependencia interesante de la brecha de banda con el período, a saber, a medida que aumenta el período, la brecha de banda disminuye.
Grupo | IIB | IIIA | IVA | Virginia | A TRAVÉS DE |
Período | |||||
2 | 5B _ | 6C _ | 7 norte | ||
3 | 13 Al | 14 Si _ | 15p _ | 16S _ | |
cuatro | 30 Zn | 31 años | 32 años _ | 33 como _ | 34 se |
5 | 48 discos compactos | 49 en | 50 sn | 51 segundos | 52 Te |
6 | 80 Hg |
Las propiedades físicas de los semiconductores son las más estudiadas en comparación con los metales y los dieléctricos . En gran medida, esto se ve facilitado por una gran cantidad de efectos físicos que no se observan en ninguna de las dos sustancias y están asociados con el dispositivo de la estructura de bandas de los semiconductores y con una banda prohibida bastante estrecha.
El principal impulso para el estudio de materiales semiconductores es la producción de dispositivos semiconductores y circuitos integrados ; esto se aplica principalmente al silicio , pero también afecta a otros materiales semiconductores ( Ge , GaAs , InP , InSb ).
El silicio es un semiconductor de brecha indirecta cuyas propiedades optoeléctricas se utilizan ampliamente para crear fotodiodos y células solares , sin embargo, es difícil crear una fuente de radiación basada en silicio y aquí se utilizan semiconductores de brecha directa: compuestos del tipo A III B V. , entre los que se pueden distinguir GaAs , GaN , que se utilizan para crear LED y láseres semiconductores .
Un semiconductor intrínseco a una temperatura de cero absoluto no tiene portadores libres en la banda de conducción , a diferencia de los conductores, y se comporta como un dieléctrico . Con fuerte dopaje , la situación puede cambiar (ver semiconductores degenerados ).
Las propiedades eléctricas de un semiconductor pueden depender en gran medida de los defectos de la estructura cristalina . Por lo tanto, se esfuerzan por utilizar sustancias muy puras, principalmente para la industria electrónica.
Los dopantes se introducen para controlar la magnitud y el tipo de conductividad del semiconductor. Por ejemplo, el silicio ampliamente utilizado se puede dopar con elementos del subgrupo V del sistema periódico de elementos: fósforo , arsénico , que son donantes , y se puede obtener silicio con un tipo de conductividad electrónica (n-Si). Para obtener silicio con una conductividad tipo agujero (p-Si), se utilizan elementos del subgrupo III de boro o aluminio ( aceptor ). También se obtienen semiconductores compensados para ubicar el nivel de Fermi en medio de la banda prohibida.
Las propiedades de los semiconductores dependen del método de preparación, ya que varias impurezas durante el crecimiento pueden cambiarlas. La forma más barata de obtener industrialmente silicio industrial monocristalino es el método Czochralski . Para purificar el silicio tecnológico, también se utiliza el método de fusión por zonas .
Para obtener monocristales de semiconductores, se utilizan varios métodos de deposición física y química. La herramienta más precisa y costosa en manos de los tecnólogos para el crecimiento de películas monocristalinas es la instalación de epitaxia de haz molecular , que permite hacer crecer un cristal con la precisión de una monocapa.
La absorción de luz por los semiconductores se debe a las transiciones entre los estados de energía de la estructura de bandas. Dado el principio de exclusión de Pauli , los electrones solo pueden moverse de un nivel de energía lleno a uno vacío. En un semiconductor intrínseco, todos los estados de la banda de valencia están llenos y todos los estados de la banda de conducción están vacíos, por lo que las transiciones solo son posibles de la banda de valencia a la banda de conducción . Para llevar a cabo tal transición, el electrón debe recibir energía de la luz que exceda la banda prohibida. Los fotones con menor energía no provocan transiciones entre los estados electrónicos de un semiconductor, por lo que dichos semiconductores son transparentes en el rango de frecuencias , donde está la banda prohibida, es la constante de Planck . Esta frecuencia define el borde de absorción fundamental para un semiconductor. Para los semiconductores, que se utilizan a menudo en la electrónica ( silicio , germanio , arseniuro de galio ), se encuentra en la región infrarroja del espectro.
Las reglas de selección imponen restricciones adicionales a la absorción de luz por parte de los semiconductores , en particular la ley de conservación del momento . La ley de conservación de la cantidad de movimiento requiere que la cuasi -cantidad de movimiento del estado final difiera de la cuasi-cantidad de movimiento del estado inicial en la magnitud de la cantidad de movimiento del fotón absorbido. El número de onda del fotón , donde es la longitud de onda, es muy pequeño en comparación con el vector de onda de la red recíproca del semiconductor o, de manera equivalente, la longitud de onda del fotón en la región visible es mucho mayor que la distancia interatómica característica en el semiconductor, lo que conduce a el requisito de que el cuasi-momento de un estado finito durante la transición electrónica fuera prácticamente igual al cuasi-momento del estado inicial. A frecuencias cercanas al borde de absorción fundamental, esto solo es posible para semiconductores de espacio directo . Las transiciones ópticas en los semiconductores, en las que el momento del electrón casi no cambia, se denominan directas o verticales . El impulso del estado final puede diferir significativamente del impulso del estado inicial si otra tercera partícula, por ejemplo, un fonón , participa en el proceso de absorción de un fotón . Tales transiciones también son posibles, aunque menos probables. Se llaman transiciones indirectas .
Por lo tanto, los semiconductores de brecha directa como el arseniuro de galio comienzan a absorber la luz con fuerza cuando la energía cuántica excede la brecha de banda. Dichos semiconductores son muy adecuados para su uso en optoelectrónica .
Los semiconductores de brecha indirecta, por ejemplo, el silicio , absorben mucho más débilmente en el rango de frecuencia de la luz con una energía cuántica ligeramente mayor que la brecha de banda, solo debido a transiciones indirectas, cuya intensidad depende de la presencia de fonones y, por lo tanto, de temperatura _ La frecuencia límite de las transiciones directas del silicio es superior a 3 eV, es decir, se encuentra en la región ultravioleta del espectro.
Cuando un electrón pasa de la banda de valencia a la de conducción, aparecen portadores de carga libres en el semiconductor y, por tanto, fotoconductividad .
En frecuencias por debajo del borde de absorción fundamental, también es posible la absorción de luz, que está asociada con la excitación de excitones , transiciones electrónicas entre niveles de impurezas y bandas permitidas, así como con la absorción de luz en vibraciones de red y portadores libres. Las bandas de excitón están ubicadas en el semiconductor un poco por debajo de la parte inferior de la banda de conducción debido a la energía de enlace del excitón. Los espectros de absorción de excitones tienen una estructura de niveles de energía similar al hidrógeno . Del mismo modo, las impurezas, aceptores o donantes , crean niveles de aceptores o donantes que se encuentran en la banda prohibida. Modifican significativamente el espectro de absorción del semiconductor dopado. Si un fonón se absorbe simultáneamente con un cuanto de luz durante una transición de brecha indirecta, entonces la energía del cuanto de luz absorbido puede ser menor por la energía del fonón, lo que conduce a la absorción a frecuencias algo más bajas en energía desde el borde de absorción fundamental.
Los compuestos semiconductores se dividen en varios tipos:
Los siguientes compuestos son ampliamente utilizados:
A III B Vasí como algunos óxidos de plomo, estaño, germanio, silicio. Además de óxidos, se utilizan ferritas, vidrios amorfos y muchos otros compuestos (A I B III C 2 VI , A I B V C 2 VI , A II B IV C 2 V , A II B 2 II C 4 VI , A II B IV C 3 VI ).
Con base en la mayoría de los compuestos binarios anteriores, es posible obtener sus soluciones sólidas: (CdTe) x (HgTe) 1-x , (HgTe) x (HgSe) 1-x , (PbTe) x (SnTe) 1-x , (PbSe) x (SnSe) 1-x y otros.
Los compuestos A III B V se utilizan principalmente para productos electrónicos que funcionan en frecuencias de microondas .
Los compuestos A II B V se utilizan como fósforos de región visible , LED , sensores Hall , moduladores.
Los compuestos A III B V , A II B VI y A IV B VI se utilizan en la fabricación de fuentes y receptores de luz, indicadores y moduladores de radiación.
Los compuestos semiconductores de óxido se utilizan para la fabricación de fotocélulas , rectificadores y núcleos de inductores de alta frecuencia.
Propiedades físicas de los compuestos tipo A III B VOpciones | AlSb | GaSb | InSb | Pobre de mí | GaAs | en como |
---|---|---|---|---|---|---|
Punto de fusión, K | 1333 | 998 | 798 | 1873 | 1553 | 1218 |
Constante de red, Å | 6.14 | 6.09 | 6.47 | 5.66 | 5.69 | 6.06 |
Brecha de banda Δ E , eV | 0.52 | 0.7 | 0.18 | 2.2 | 1.41 | 0.35 |
Constante dieléctrica ε | 8.4 | 14.0 | 15.9 | — | — | — |
Movilidad, cm²/(V·s): | ||||||
electrones | cincuenta | 5000 | 60 000 | — | 4000 | 34000 [2] |
agujeros | 150 | 1000 | 4000 | — | 400 | 460 [2] |
Índice de refracción, n | 3.0 | 3.7 | 4.1 | — | 3.2 | 3.2 |
Coeficiente lineal de dilatación térmica , K -1 |
— | 6,9 10 -6 | 5.5 10 -6 | 5.7 10 -6 | 5.3 10 -6 | — |
conductores | Materiales|
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