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• Dana Herman

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE REYNOSA Cd. Reynosa, Tamaulipas.

CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES UNIDAD II - Propiedades Mecánicas y Físicas de los Materiales TEMA 2.3 - “MATERIALES SEMICONDUCTORES”

CATEDRÁTICO: Ing. Carlos Gómez Obando CARRERA: Mecatrónica GRUPO: 3

SALÓN: 12

2do SEMESTRE (Enero-Julio 2014)

INTEGRANTES: * Rolando Roberto Arellano Ponce * Miguel Ángel Gómez Martínez * Josué Alan Núñez Luna * José Andrés Paredes Cervantes * Jesús Ernesto Rodríguez Rodríguez

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OBJETIVO

Conocer los fundamentos teóricos que explican las propiedades electrónicas y ópticas de los materiales semiconductores, así como algunas de sus aplicaciones más importantes.

DESARROLLO

Los semiconductores son materiales cuya conductancia eléctrica puede ser controlada de forma permanente o dinámica variando su estado desde conductor a aislante. Debido a su uso en dispositivos tales como los transistores (y por tanto en computadoras) y en los láseres, la búsqueda de nuevos materiales semiconductores y la mejora de los materiales existentes es un importante campo de estudio en la ciencia de materiales. Los semiconductores más elementales son: Diamante (C), Silicio (Si) y Germanio (Ge). A continuación se presenta un listado de materiales semiconductores:

Antimoniuro de Galio El antimoniuro de galio (GaSb) es un semiconductor binario de la familia de semiconductores III-V. Se caracteriza por tener una banda prohibida o gap de aproximadamente 0.72 eV a 300K. Se suele utilizar para fabricar dispositivos optoelectrónicos que trabajen en el rango de longitudes de onda infrarrojas, como detectores o células termofotovoltaicas.

Arseniuro de Galio

El Arseniuro de galio (GaAs) es un compuesto de galio y arsénico. Es un importante semiconductor y se usa para fabricar dispositivos como circuitos integrados a frecuencias de microondas, diodos de emisión infrarroja, diodos láser y células fotovoltaicas. Las propiedades físicas y químicas del GaAs complican su uso en la fabricación de transistores por ser un compuesto binario con una menor conductividad térmica y un mayor coeficiente de expansión térmica

Arseniuro de Galio-Aluminio El Arseniuro de galio-aluminio (AlxGa1-xAs) es un material semiconductor con un parámetro de red muy similar al del GaAs, pero con un ancho de banda prohibida mayor. Arseniuro de aluminio es un semiconductor de clase III-V. Es empleado en la fabricación de dispositivos como LEDs, aunque no tiene casi ninguna aplicación más. La preparación de cristales de alta pureza individuales, la reactividad del aluminio y la inestabilidad de los cristales cuando se exponen a la humedad ambiental, provocan que su uso sea escaso en la industria de semiconductores Arseniuro de Indio El Arseniuro de indio (InAs) un compuesto semiconductor formado por indio y arsénico. Este material se utiliza en detectores de infrarrojos, con rangos de longitud de onda de 1 a 3.8 μm.2 Debido a la alta movilidad electrónica y a su bajo valor de banda prohibida, se utiliza en emisores de Radiación terahertz. También se utiliza junto con el fosfuro de indio, para obtener un material con una banda prohibida dependiente de la proporción de estos componentes.

Carburo de Silicio Es un compuesto que se puede denominar aleación sólida, y que se basa en que sobre la estructura anfitrión se cambian átomos de éste por átomos de Silicio, siempre y cuando el hueco que se deje sea similar al tamaño del átomo que lo va a ocupar.

El Carburo de Silicio es un material semiconductor y refractario que presenta muchas ventajas para ser utilizado en dispositivos que impliquen trabajar en condiciones extremas de temperatura, voltaje y frecuencia, el Carburo de Silicio puede soportar un gradiente de voltaje o de campo eléctrico hasta ocho veces mayor que el silicio o el arseniuro de galio sin que sobrevenga la ruptura, este elevado valor de campo eléctrico de ruptura le hace ser de utilidad en la fabricación de componentes que operan a elevado voltaje y alta energía como por ejemplo: diodos, transistores, supresores..., e incluso dispositivos para microondas de alta energía.

Disulfuro de Molibdeno El disulfuro de molibdeno es un compuesto químico inorgánico con la fórmula química MoS2. Este compuesto cristalino de azufre y molibdeno se da de manera natural como el mineral molibdenita. Es el mineral principal del cual se extrae el molibdeno metálico. El MoS2 es relativamente no reactivo, y no es afectado por ácidos diluidos y el oxígeno. En su apariencia y tacto, el disulfuro de molibdeno es similar al grafito. De hecho, al igual que el grafito, es ampliamente utilizado como unlubricante sólido debido a sus propiedades de baja fricción y solidez.

Dióxido de Estaño El dióxido de estaño es un compuesto inorgánico con la fórmula SnO2. La forma mineral del SnO2 se llama casiterita y es el principal mineral del estaño.3 Con muchos otros nombres, este óxido de estaño es la materia prima más importante en la química de estaño. Este sólido incoloro diamagnético es anfótero.

Se cristaliza con la estructura de rutilo, en el que los átomos de estaño tienen seis coordenadas y los átomos de oxígeno tres. Es generalmente considerado como un semiconductor deficiente de oxígeno tipo n. Las formas hidratadas de SnO2 se han descrito en el pasado como ácidos estánicos, aunque tales materiales parecen ser partículas hidratadas de SnO2 en donde la composición refleja el tamaño de las partículas.

Dióxido de Uranio El dióxido de uranio o óxido de uranio(IV) (UO2), también conocido como urano u óxido uranoso, es un óxido de uranio, que es un polvo negro, radiactivo, cristalino que ocurre naturalmente en el mineral de uraninita. Es usado en las varillas del combustible nuclear en los reactores nucleares. Una mezcla de dióxidos de uranio y plutonio es usada en el combustible MOX. Previo a 1960 era usado como un tinte colorante amarillo y negro en vidrios y en cerámicas vidriada.

Germanio El germanio forma parte de los elementos denominados metaloides o semimetales. Este tipo de elementos tienen propiedades intermedias entre metales y no metales. En cuanto a su conductividad eléctrica, este tipo de materiales al que pertenece el germanio, son semiconductores. 

El germanio se utiliza como material semiconductor. Se usa generalmente, junto al silicio, en los circuitos integrados de alta velocidad para mejorar su rendimiento. En algunos casos se está planteando sustituir al silicio por germanio para hacer chips miniaturizados.

Nitruro de Boro El nitruro de boro, de formula BN es un compuesto binario de boro, que consiste en proporciones iguales de boro y nitrógeno, El compuesto es isoelectrónico al carbono, (el boro aporta 3 e de valencia y el nitrógeno 5) por lo que el nitruro de boro tiene formas polimórficas, homologas a los alotropos del carbono.

El nitruro cubico de boro (c-BN) es un material artificial extremadamente duro, aunque de una dureza menor a la del diamante. Al igual que el diamante, l c-BN es un aislante eléctrico y un excelente conductor del calor. Es ampliamente utilizado como un abrasivo para herramientas industriales, en especial para el mecanizado de acaros aleados y materiales de gran dureza. Nitruro de galio El nitruro de galio (GaN) es una aleación binaria de semiconductores. Este compuesto químico es un material muy duro que tiene una estructura cristalina Wurtzita. Tiene propiedades especiales que se usan en aplicaciones de la optoelectrónica, dispositivos de alta potencia y dispositivos de alta frecuencia.

Nitruro de Galio-Indio El nitruro de galio-indio (InxGax-1N) es un material semiconductor hecho de una mezcla de nitruro de galio y nitruro de indio. El InGaN está en una de las capas emisoras de luz de los moderno LEDs de color azul y verde. Comúnmente el compuesto es crecido en un a base de GaN sobre un substrato transparente, zafiro o carburo de silicio. Tiene alta capacidad calorífica y baja sensibilidad a la radiación ionizante como los otros nitruros del grupo III, lo que hacen de esta aleación potencialmente un material adecuado para construir células fotoeléctricas, especialmente para arreglos usados en satélites. Nitruro de Indio El nitruro de indio (InN) es un material semiconductor con una pequeña banda prohibida que lo hace potencialmente útil para aplicaciones encélulas fotoeléctricas y electrónica de alta velocidad1 La banda prohibida del InN ha sido ahora establecida como ~0.7 eV pero depende de la temperatura2 (el valor anterior es 1.97 eV).3 La masa efectiva del electrón ha sido recientemente determinada usando mediciones con altos campos magnéticos 4 5 como m*=0.055 m0. Enaleación con el nitruro de

galio (GaN) forma el sistema ternario nitruro de galio-indio (InGaN) que tiene una banda prohibida directa desde el intervalo infrarrojo (0.65eV) hasta el ultravioleta (3.4eV).

Óxido de Cinc El óxido de Zinc es un compuesto químico de color blanco, se lo conoce como Zinc blanco. Su fórmula es ZnO y es insoluble en agua pero muy soluble en ácidos. Se lo encuentra en estado natural en la cincita. Se usa como pigmento e inhibidor del crecimiento de hongos en pinturas, como compuesto de relleno en llantas de goma, hule, caucho y como pomada antiséptica en medicina. Alta capacidad calorífica. Acelerador y activador para la vulcanización del caucho. Pigmento protector de la radiación ultravioleta. Una observación importante es que actúa como una capa protectora para el Zinc sólido, para que así éste no se oxide fácilmente por tener un alto potencial de oxidación.

Óxido de Cobre (I) Fue la primera sustancia conocida que se comportaba como semiconductor. Los diodos rectificadores basados en este se utilizaron industrialmente ya en 1924, mucho antes de que el silicio se convirtiera en el estándar. Éste muestra cuatro bien conocidas series de excitones con anchuras de resonancia en el rango de neV (10-9 eV). Los polaritones asociados también son bien conocidos; su velocidad de grupo resulta ser muy baja, casi inferior a la velocidad del sonido. Eso significa que la luz se mueve casi tan lenta como el sonido en este medio. Esto se traduce en una alta densidad de polaritones, y se han demostrado efectos como la condensación de Bose-Einstein, el efecto Stark dinámico y los fonoritones.

Óxido de Cobre (II) También llamado óxido cúprico (CuO) es el óxido de cobre con mayor número de oxidación. Como mineral se conoce como tenorita.

Para preparar óxido de cobre se electroliza agua conteniendo bicarbonato de sodio a un voltaje moderado con un ánodo de cobre, se recoje la mezcla de hidróxido de cobre, carbonato básico de cobre, y carbonato de cobre producida, y todo esto se calienta. Tiene aplicación como un semiconductor tipo p, porque tiene una banda prohibida estrecha, de 1,2 eV. Se trata de un abrasivo usado para pulir los equipos ópticos. El óxido cúprico puede ser usado para producir pilas secas. También se ha utilizado en pilas húmedas como cátodo, con litio como ánodo, y dioxalano mezclado con perclorato de litio como electrolito. Puede utilizarse para producir otras sales de cobre. También se utiliza cuando se suelda con aleaciones de cobre.

Pirita La Pirita es un mineral de la clase de los sulfuros. La pirita es opaca, de color amarillo, brillo metálico, gran dureza (D 6-6.5 en la escala de Mohs, no se raya con el acero), y color de la raya pardo-oscuro verdoso (el color de la raya se obtiene frotando la muestra sobre una superficie de porcelana sin vidriar). Usos de la Pirita La Pirita además de ser apetecida en la joyería, bisutería y coleccionismo; es frecuente su uso en el sector químico industrial en la obtención de ácido sulfúrico, polvo de pulir, colores rojos y marrones y como mena de hierro, dado el alto contenido de sulfuro de este mineral. En el campo esotérico la Pirita es denominada la piedra de la casa, por tanto, se considera que aporta paz y bienestar en el hogar. Se recomienda para negocios, estudios y poderes de la comunicación; así mismo, ya que se le atribuye gran fuerza protectora se considera la indicada para desviar energías negativas. Se dice que ayuda a descubrir talentos ocultos y a superar problemas intelectuales en el trabajo.

Silicio La resistividad eléctrica del silicio a la temperatura ordinaria es intermedia entre la de los metales y los aislantes y su conductividad puede controlarse agregando pequeñas cantidades de impurezas. Sé utiliza en aleaciones, en la preparación de las siliconas,

en la industria de la cerámica técnica y, debido a que es un material semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como material básico para la creación de obleas o chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos.

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Como material refractario, se usa en cerámicas, vidriados y esmaltados. Como elemento fertilizante en forma de mineral primario rico en silicio, para la agricultura. Como elemento de aleación en fundiciones. Fabricación de vidrio para ventanas y aislantes. El carburo de silicio es uno de los abrasivos más importantes. Se usa en láseres para obtener una luz con una longitud de onda de 456 nm. La silicona se usa en medicina en implantes de seno y lentes de contacto.

Sulfuro de Zinc Sulfuro de zinc es un compuesto inorgánico con la fórmula química de ZnS. Esta es la forma principal de zinc que se encuentra en la naturaleza, en el que se produce principalmente por la esfalerita mineral. Aunque este mineral es generalmente negro a causa de diversas impurezas, el material es de color blanco puro, y se usa ampliamente como un pigmento.

PROPIEDADES SEMICONDUCTORES Tanto esfalerita y wurtzita son intrínsecos semiconductores de banda prohibida ancha. Estos son prototípico II-VI semiconductores, y adoptar las estructuras relacionadas con muchos de los otros semiconductores, como el arseniuro de galio. La forma cúbica de ZnS tiene un intersticio de banda de alrededor de 3,54 electrón-voltios a 300 grados Kelvin, pero la forma hexagonal tiene un intersticio de banda de alrededor de 3,91 electrón-voltios. ZnS dopadas pueden ser ya sea como un semiconductor de tipo n o de un semiconductor de tipo p.

TrimetilGalio Es la fuente metal orgánica preferida de galiousada en la epitaxia organometalica en fase de vapor (MOVPE), el proceso de fabricación de compuestos semiconductores que contienen Galio en diversas formas como, por ejemplo, el Arseniuro de galio GaAs, GaN, GaP, Antimoniuro de galio GaSb, GaInAs, InGaN, AlInGaP, GaInP ó AlInGaNP. El TMG es un líquido de color claro, con punto de ebullición a 55.7 °C y punto de fusión (o punto de congelación) a -15 °C. El TMG es conocido por ser pirofórico, es decir, que se prende espontáneamente al contacto con el aire. Incluso las soluciones del TMG en hidrocarburos, cuando están saturadas suficientemente, se sabe que se prenden espontáneamente al contacto con el aire. Se sabe que el TMG reacciona violentamente con el agua y otros compuestos capaces de proporcionar un ion hidrógeno activo libre (es decir un protón). Por tanto, la manipulación del TMG debe hacerse con mucho cuidado y precaución. Por ejemplo se debe almacenar en un sitio fresco y seco entre 0 y 25 °C, en atmósfera inerte.

Conclusiones En conclusión para comprender cómo funcionan los diodos, transistores y circuitos integrados es necesario estudiar los materiales semiconductores: materiales que no se comportan ni como conductores ni como aislantes. Los semiconductores poseen algunos electrones libres, pero lo que les confiere un carácter especial es la presencia de huecos.