Semiconductores

1Semiconductores Fanny Villamagua, Enrique Villavicencio, Jose Aguilar. Octubre 2018. Universidad Politécnica Salesiana

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1Semiconductores

Fanny Villamagua, Enrique Villavicencio, Jose Aguilar. Octubre 2018. Universidad Politécnica Salesiana Ingeniería Mecatrónica Diseño Electrónico

Abstract En este documento conoceremos las características generales de tres materiales semiconductores importantes como el Silicio (Si), Germanio (Ge) y el Arseniuro de Galio (GaAs). Se describe la diferencia entre materiales tipo n y p. También se habla dentro de este documento la construcción de semiconductores, los enlaces, refinados y sus valencias.

Tabla de Contenidos Semiconductores Introducción........................................................................................................1 Construcción de semiconductores...............................................................................................1 Etapas de fabricación...............................................................................................................1 Tipos de materiales......................................................................................................................2 Germanio.................................................................................................................................2 Silicio.......................................................................................................................................3 Arseniuro de Galio...................................................................................................................3 Enlaces.........................................................................................................................................4 Refinado.......................................................................................................................................4 Valencias......................................................................................................................................4 Lista de referencias..........................................................................................................................6 Apéndice..........................................................................................................................................7 Vita..................................................................................................................................................8

Lista de tablas Tabla 1. El título debe ser breve y descriptivo....................................................................3

Lista de figuras Figura 1. Germanio (Ge)..................................................................................................................2 Figura 2. Germanio (Ge)..................................................................................................................3 Figura 1. Formas y descripción de las formas.................................................................................5

Semiconductores Introducción Estamos viviendo en una época donde los sistemas son mas pequeños y con velocidades de operación extraordinarias. Esto nos lleva a pensar hacia donde podemos llegar con toda esta tecnología que evoluciona día a día, pero nos hemos preguntado ¿Por qué inició esta mejora continua en los dispositivos? Pues la respuesta parece ser sencilla, es gracias a los semiconductores, que son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno.

Construcción de semiconductores Los elementos mas utilizados en la construcción de dispositivos electrónicos son el germanio (Ge), silicio (Si) y arseniuro de galio (GaAs). Etapas de fabricación Purificación del substrato Oxidación Litografía y grabado Impurificación

Tipos de materiales “Los semiconductores son una clase especial de elementos cuya conductividad se encuentra entre la de un buen conductor y la de un aislante”

[ CITATION Boy09 \l

21514 ] Dentro de los materiales semiconductores, encontramos dos clases: de un solo cristal y compuesto. El germanio (Ge) y el silicio (Si) son considerados como un semiconductor de un solo cristal, mientras que el arseniuro de galio (GaAs), sulfuro de cadmio (CdS), el nitruro de galio (GaN) y el fosfuro de galio y arsénico (GaAsP), se consideran como un semiconductor compuesto, ya que se componen de dos o más materiales semiconductores de diferentes estructuras atómicas.

Germanio Entre los años de 1939 y 1949, se utilizaba generalmente al germanio (Ge) como principal semiconductor por su facilidad de encontrar y disponibilidad en grandes cantidades. Tenía además la ventaja de fácil refinación para obtener niveles más altos de pureza lo cual es importante en el proceso de fabricación. Pero una de sus principales desventajas era la sensibilidad a los cambios de temperatura.

Figura 1. Germanio (Ge)

Silicio Es uno de los elementos más abundantes en la Tierra y su ventaja es que la sensibilidad a la temperatura es mejor que la del germanio, no obstante, el proceso de refinación para producir niveles mas altos de pureza aún no se encontraba en sus inicios.

Figura 2. Silicio (Si)

Arseniuro de Galio Tomando como ejemplo al transistor de GaAs, este dispositivo trabajaba a cinco veces mas que un transistor construido con Silicio. La desventaja de este material fue que el Silicio tenia mas ventaja en el mercado por su bajo precio, ya que era más fácil de refinar y ofrecían la ventaja de diseños altamente eficientes. En los primeros años de desarrollo el Arseniuro de galio tenia poco apoyo de diseño por su dificultad para obtener altos niveles de pureza. Sin embargo, como los sistemas de comunicación necesitaban niveles

mas altos de desempeño, fue necesario que se asignen fondos para la investigación de este material. En la actualidad se usa como material base para diseños de circuitos integrados a gran escala de alta velocidad.

Enlaces y valencias Estructura del silicio. - La cristalinidad. se refiere a la disposición que tienen los átomos en la estructura cristalina. El silicio se puede encontrar en tres estados cristalinos: Monocristalino, Policristalino y Amorfo.

Coeficiente de absorción. - tienen los elementos sobre unas longitudes de onda. Si un material dispone de un coeficiente pequeño significará que tiene poca absorción.

El átomo de silicio presenta un enlace covalente, cada átomo está unido a otros cuatro átomos y compartiendo sus electrones de valencia. Necesita 8 electrones para su estabilidad. El enlace covalente lo forman todos los elementos del grupo IV de la tabla periódica, al cual pertenece el silicio. Al aplicarle energía externa, ya sea de calor o de luz, se rompen los enlaces quedando un electrón libre por cada enlace roto, pero a su vez, se tiene un hueco vacío, el que ocupaba el electrón. De esta forma se obtiene corriente eléctrica, por el movimiento de los electrones hacía los potenciales positivos y del movimiento de los huecos hacía los potenciales negativos.

Germanio. - Es un metaloide sólido duro, cristalino, de color blanco grisáceo lustroso, quebradizo, que conserva el brillo a temperaturas ordinarias. Presenta la misma estructura cristalina que el diamante y resiste a los ácidos y álcalis. Forma gran número de compuestos órgano metálicos y es un importante material semiconductor utilizado en transistores y foto detectores. A diferencia de la mayoría de semiconductores, el germanio tiene una pequeña banda prohibida (band gap) por lo que responde de forma eficaz a la radiación infrarroja y puede usarse en amplificadores de baja intensidad.

El diamante es un ejemplo de este tipo de estructura cristalina formada por átomos de carbono. El silicio y el germanio forman redes similares. 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 estado del germanio en su forma natural es sólido y pertenece al grupo delos metaloides. El número atómico del germanio es 32. El símbolo químico del germanio es Ge. El punto de fusión del germanio es de1211,4 grados Kelvin o de 938,25grados Celsius o grados centígrados. El punto de ebullición del germanio es de 30,3 grados Kelvin o de 2819,85grados Celsius o grados centígrados.

Galio. - El galio es un metal blando, grisáceo en estado líquido y plateado brillante al solidificar, sólido deleznable a bajas temperaturas que funde a temperaturas cercanas a la del ambiente (como cesio, mercurio y rubidio) e incluso cuando se sostiene en la mano por su bajo punto de fusión (28,56 °C). El rango de temperatura en el que permanece

líquido es uno de los más altos de los metales (2174 °C separan su punto de fusión y ebullición). Presenta una acusada tendencia a su enfriarse por debajo del punto de fusión (permaneciendo aún en estado líquido) por lo que es necesaria una semilla (un pequeño sólido añadido al líquido) para solidificarlo. Las cristalizaciones no se producen ninguna de las estructuras simples; la fase estable en condiciones normales es ortorrómbica, con 8 átomos en cada celda unitaria en la que cada átomo sólo tiene otro en su vecindad más próxima a una distancia de 2,44 Å y estando los otros seis a 2,83 Å. En esta estructura el enlace químico formado entre los átomos más cercanos es covalente siendo la molécula Ga2 la que realmente forma el entramado cristalino.

Propiedades de Galio. - Símbolo químico Ga. Número atómico 31. Grupo 13. Periodo 4. Densidad 5904 kg/m3. Masa atómica 69.723 u. Radio medio 130 pm. Radio atómico 136. Radio covalente 126 pm. Configuración electrónica [Ar]3d10 4s2 4p1. Estados de oxidación 3. Estructura cristalina ortorrómbica. Punto de fusión 302.91 K. Punto de ebullición 2477 K. Calor de fusión 5.59 kJ/mol. Electronegatividad 1,81Calor específico 370 J/(K·kg). Conductividad eléctrica 6,78 106S/m. Conductividad térmica 40,6 W/(K·m).

Refinado La refinación de metales es la eliminación de impurezas de metales en bruto. Después de la extracción de materias primas, metales en bruto son entre 96 y 99 por ciento de pureza del principal metal, siendo el resto impurezas. Metales en bruto no puede ser utilizado por

la industria en esta etapa debido a la característica inferior en propiedades físicas, químicas, y propiedades mecánicas. Las impurezas que se encuentran en metales en bruto pueden tener un valor elevado en sí mismos, el oro y la plata recuperable de cobre, por ejemplo, pagar el costo total del proceso de refinación. Los tres métodos básicos de refinación son pirometalúrgico, electrolítico y químico. Todos estos métodos se basan en las propiedades distintivas de los elementos individuales, como la temperatura de fusión, la densidad, y la electronegatividad. Los metales puros se obtienen frecuentemente mediante el empleo de varios métodos de refinación en sucesión,

Refinación pirometalúrgica.

La refinación pirometalúrgico, que se lleva a cabo a una alta temperatura en una masa fundida, tiene un número de variaciones. Refinación de oxidación se basa en la tendencia de algunas impurezas para formar compuestos con O, S, Cl, F y que son más estables que los compuestos del principal metal y estos elementos. Esta técnica se utiliza para refinar Cu, Pb, Zn y Sn. Por ejemplo, cuando una corriente de aire es forzada a través del cobre fundido, los óxidos se forman mezclas de Fe, Ni, Zn, Pb, Sb, As, y Sn, ya que las mezclas tienen una mayor tendencia a reaccionar con el oxígeno que el cobre; la óxidos de subir a la superficie del tanque y se retiran.

Fusión y separación por densidad (Licuefacción). Separación se basa en las diferencias en las temperaturas de fusión y densidades de componentes de la aleación y en el bajo nivel de solubilidad mutua de los componentes. Por ejemplo, cuando el plomo crudo fundido se enfría, los cristales de cobre (escoria) separar a cabo a temperaturas establecidas y, debido a su baja densidad, flotan en la superficie y se puede quitar. Este método se utiliza para eliminar Cu, Ag, Au, Bi y de plomo crudo, para eliminar el Fe, Cu, Pb y de Zinc en bruto, y para refinar estaño y otros metales.

Recristalización fraccionada. Utiliza la diferencia en las solubilidades de un aditivo metálico en las fases sólida y líquida y la lenta difusión de impurezas en la fase sólida. Este método se utiliza en la producción de materiales semiconductores y en la preparación de los metales de alta pureza, sino que se emplea en la zona de fusión, la metalurgia del plasma, la eliminación de los cristales individuales a partir de una masa fundida, y la dirigida cristalización.

Destilación. Se basa en la diferencia entre el punto de ebullición del metal principal y la de las impurezas. Refinación se lleva a cabo como un proceso continuo en el que el reflujo se repiten volatilización y condensación de la fracción que se separa muchas veces. Rectificación se puede acelerar considerablemente si se realiza en un vacío. Este método tiene aplicación en la eliminación de Cd de Zn o Zn de Pb, en la separación de Al y Mg, Ti y en la metalurgia. La filtración a vacío de un metal líquido a través de filtros de

cerámica elimina las impurezas sólidas suspendidas; el proceso se utiliza en metalurgia Sn. Cuando el acero es refinado en una cuchara de colada con escoria sintética líquida, la superficie de contacto del metal y la escoria es apreciablemente mayor (debido a la mezcla), que cuando los procesos de refinación se llevan a cabo en un agregado de fusión. Esto mejora enormemente la eficiencia de desulfuración, defosforación, y desoxidación de metales en la eliminación de impurezas no metálicas. Los gases inertes son soplados a través de acero fundido en un procedimiento de refinado que elimina suspendidas partículas de escoria u óxidos sólidos del metal. Las impurezas se adhieren a las burbujas de gas y flotan en la superficie de la masa fundida.

Refinado electrolítico Refinación electrolítica, la electrólisis de soluciones acuosas o sal se funde, produce metales de alta pureza. Se utiliza para la purificación completa de la mayoría de los metales no ferrosos. Refinación electrolítica con ánodos solubles implica la disolución del ánodo de los metales a ser purificada y la deposición de los metales puros en el cátodo, en este proceso, los electrones del circuito externo son capturados por iones del metal principal. La electrólisis puede ser utilizado para separar los metales debido a que el principal metal y mezclas de los tienen diferentes potenciales electroquímicos. Por ejemplo, el potencial de electrodo estándar relativa de Cu a un electrodo normal de hidrógeno-toma como ceroes + 0,346; los valores de Au y Ag son mayores, y las de Ni, Fe, Zn, Mn, Pb, Sn y Co son

negativos. Durante la electrólisis, el cobre se deposita en el cátodo, los metales nobles no se disuelven, sino que se depositan en el fondo de la celda electrolítica como una suspensión, y metales con potenciales de electrodo negativas se acumulan en el electrolito, que se limpia periódicamente. Ocasionalmente-en la hidrometalurgia del zinc, por ejemplo-refinación electrolítica se realiza utilizando ánodos insolubles. Aquí, el metal principal es en una solución de la que las impurezas se retiran cuidadosamente de antemano, y durante la electrólisis se deposita en el cátodo como una masa compacta.

Refinado químico.

La refinación química se basa en las diferentes solubilidades de un metal y sus impurezas en soluciones ácidas o alcalinas. Las impurezas se acumulan gradualmente en una solución y se eliminan por medios químicos, tales como la hidrólisis, la cementación, la formación de compuestos escasamente solubles, y purificación por extracción o de intercambio iónico. El refinado de metales nobles es un ejemplo de refinado químico. El oro (Au) se refina en ebullición sulfúrico o ácido nítrico; Cu, Ag, y otras impurezas metálicas se disuelven, mientras que el oro purificado, que es inmune al ataque con acido, permanece como un residuo insoluble.

Lista de referencias [1] Boylestad, Robert.,Nashelsky, Louis. (2009) Electronica: Teoria de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. México. Pearson Education [2] Técnicas de fabricación de semiconductores. Félix Ramos Gutiérrez. 19, agosto, 2014. [3] Estructura y propiedades de los metales. José Martínez Sánchez. 20 abril, 2013. [4] Refinación de metales. Proto. 3 marzo, 2014. Disponible en: https://mineriaurbana.org/2014/03/03/refinacion-de-metales/comment-page-1/.