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Tecnología y Ensayo de Materiales

S i Semiconductores d t MBA Ing. Máximo Adrián Forns

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Materiales conductores, semiconductores y aislantes

C d t Conductores, aislantes i l t y semiconductores i d t

Baja resistencia Conductores: ofrecen f una baja b j resistencia al paso de la corriente eléctrica.

Alta resistencia Semiconductores t a medio di se encuentran camino entre los conductores y los aislantes, pues en unos casos permiten la circulación de la corriente eléctrica y en otros no.

Aislantes: ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica.

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Formas de representar p de forma gráfica un átomo

A. Normal, con todos los electrones girando alrededor del núcleo de ese elemento en sus respectivas órbitas. B Representación plana , cuatro órbitas o niveles de energía que le corresponden a ese B. átomo con la distribución numérica de todos los electrones que posee en cada una de ellas.(29 en total) C R C. Resentación t ió plana l simplificada, i lifi d en lla que se muestra t solamente l t lla últi última ó órbita bit o banda de valencia, identificada con. el número “1”, o sea, el único electrón que posee en esa posición. D. El mismo átomo mostrado ahora. en representación plana, con la última órbita y el 4 único electrón que gira en la misma.

M t l aislantes Metales, i l t y semiconductores i d t

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Electrones de valencia y Bandas de energía

El t Electrones de d valencia l i

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El t Electrones de d valencia l i del d l Si Órbitas, Capas o Niveles de energía

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Generación de pares p electrón libre - hueco

Modelo completo

Estado normal

Conducción

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Modelo simplificado

Bandas de conducción,, de valencia y prohibida

Conductor

Aislante

Semiconductor

Banda de valencia: es el nivel de energía que determina que un cuerpo se comporte como conductor, aislante o semiconductor. Banda de conducción: está ocupada por los electrones libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente ocasionando al corriente eléctrica eléctrica. Banda prohibida: impide que los electrones de valencia, situados en la última órbita del átomo, se exciten y salten a la banda de conducción Energía propia de los electrones de valencia = 0,03 eV (electronvolt) Eg aislantes = 6 a 10 eV Eg semiconductores = 1eV

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S i d t Semiconductores

Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor ¾Elevación de su temperatura ¾Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina ¾Incrementando la iluminación.

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S i d t Semiconductores intrínsecos: i tí ell Si

oblea (wafer) o cristal semiconductor de Si pulida, destinada a la fabricación de transistores y circuitos integrados.

Semiconductor intrínseco: ¾ Material M t i l puro ¾ Huecos = electrones

cuarta parte de la oblea conteniendo cientos de minúsculos dados o “chips” chips

Eg Si = 1,21 eV Eg Ge = 0,785 eV.

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Semiconductores intrínsecos: el Ge T=0K -

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Ge

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Ge

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Ge

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Ge

Ge

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Ge

Ge

-

Ge

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-

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No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a que los electrones de la banda de valencia no pueden saltar a la banda de conducción.

Semiconductores intrínsecos: el Ge T=300K -

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Ge

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•Un electrón “libre” y una carga “+” por cada enlace roto.

Ge

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•Hay Hay 1 enlace roto por cada 1,7 1,7·10 109 átomos.

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Ge

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-

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-

-

+

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Ge

Ge

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-

Ge

Ge

-

Ge

Semiconductores intrínsecos: el Ge T=300K -

Ge Recombinación

Generación

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G Ge

+

-

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-

G Ge

+

-

-

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Recombinación

-

-

+

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-

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G Ge

Ge

+

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G Ge

-

Generación

-

Ge

-

Ge

Generación

-

Siempre p se están rompiendo p (generación)) y reconstruyendo (g y (recombinación) enlaces. La vida media de un electrón puede ser del orden de milisegundos o microsegundos.

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- -

•¿Y la carga ”+” ?.

Ge

+

-

-

--

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•El electrón libre se mueve por acción del campo.

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Ge

Ge

- -

-

+

-

-

-

Ge

Ge

-

-

Ge

-

-

Ge

-

Ge

-

-

Semiconductores intrínsecos: el Ge Aplicación de un campo externo

-

Ge

--

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Ge

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-

Ge

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-

+

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-

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-

-

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Ge

-

-

+

Ge

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-

Ge

-

-

Ge

-

Ge

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-

Semiconductores intrínsecos: el Ge Aplicación de un campo externo

+

•La carga “+” se mueve también. Es un nuevo portador de carga, llamado “hueco”.

Movimiento de cargas g por p un campo p eléctrico →

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-

-

-

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

-

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-

Ε

+

+

+

+

→

jp

+

→

jn

S i d t Semiconductores extrínsecos tí Semiconductor extrínseco: semiconductor intrínseco dopado

3 electrones l t de valencia

+ 5 electrones de valencia

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S i d t de Semiconductor d Si tipo ti P y N

Semiconductor tipo N

Semiconductor tipo P

•Más electrones (mayoritarios) que huecos (minoritarios)

•Más Má h huecos ((mayoritarios) it i ) que electrones (minoritarios)

•Impurezas p del g grupo p V ((donador))

•Impurezas Impurezas del grupo III (aceptador)

•Todos los átomos de donador ionizados “+”.

•Todos los átomos de aceptador ionizados “-”.

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El diodo di d

Unión P-N PN TIPO p

Iones aceptores

TIPO n

Iones donadores Portadores y m ayoritarios

Portadores m ayoritarios

Portadores minoritarios

Portadores t d minoritarios

Tipo p

Tipo n

Región de agotamiento

Polarización directa e inversa p

n

Sin polarización

p

n

Polarización inversa

p

n

Polarización directa

Característica U U-II del diodo

ID

VT

Is

VD