Llobregat Abellán, AlejandraArribas Jaen, Elisabeth

ESTRUCTURA DE BANDAS DE ENERGÍA DE LOS SÓLIDOS

Representación esquemática de la energía de los electrones en función de la separación interatómica.

(a) Representación convencional de la estructura de bandas de energía de los materiales sólidos. (b) Energía de los

electrones frente a la separación interatómica para un grupo de átomos.

Estructuras de bandas de energía para aislantes,

semiconductores y conductores.

Intervalo prohibido de energía para algunos semiconductores y aislantes.

ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS SEMICONDUCTORES

• Estructura tipo diamante: Si, Ge, etc.

• Estructura tipo blenda: GaAs, GaN, ZnS

• Estructura hexagonal wurtzita: SiC

MoS2.

Semiconductores laminares: dicalgenuros

Se apilan según el modelo

AbA CbC AbA CbC

Estructuras de bandas aproximadas para los dicalgenuros:

El metal ocupa posiciones octaédricas.

El metal ocupa posiciones prismáticas trigonales.

SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS• Diagrama de bandas de un semiconductor:

Modelo del electrón ligado para la conducción eléctrica en el Si intrínseco, antes de la excitación.

Modelo del electrón ligado en el silicio intrínseco después de la excitación.

SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS DE TIPO N

Esquema de la estructura de bandas de energía para un nivel de la

impureza donadora localizado dentro del intervalo prohibido de energía.

•Excitación desde el estado donador para crear un electrón libre en la banda

de conducción.

Un átomo de impureza (como el P) con cinco electrones de valencia,

puede sustituir a un átomo de silicio. Cada átomo de P que se añade produce un electrón de

enlace extra que está ligado a la impureza y se mueve a su

alrededor.

Excitación para formar un electrón libre.

Movimiento de este electrón libre en respuesta a un campo eléctrico.

SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS DE TIPO P

•Un átomo de impureza, que tiene tres electrones de valencia, puede sustituir a un átomo de silicio.

Esto produce una deficiencia de un electrón de valencia.

•Movimiento de este hueco en respuesta a un campo eléctrico.

•Esquema de las bandas de energía para una impureza aceptadora localizada en el intervalo prohibido de

energía.

•Excitación de un electrón a los niveles aceptores dejando detrás un hueco en la banda

de valencia.

PROPIEDADES DE LOS SEMICONDUCTORES

• PROPIEDADES ELÉCTRICAS

1

Conductividad:Valores de algunos parámetros eléctricos:

he

Transportadoresde carga

Electrones libres Huecos

he epen

Influencia de las impurezas en la conductividad eléctrica

• SEMICONDUCTOR INTRISECO

hepn

he enepen

impurezas

PROPIEDADES ELÉCTRICAS• SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO

Semiconductor extrínseco de tipo n

epn

he enepen

electronesdorestransporta

Variación de la movilidad de los electrones con la concentración de impureza donadora (tipo n).

Variación de la resistividad con la concentración

de impurezas.

Semiconductor extrínseco de tipo p

coshuedorestransporta

hpn

he epepen Variación de la movilidad de los electrones con la concentración de impureza aceptora (tipo p)

PROPIEDADES ELÉCTRICAS

• Influencia de la temperatura en la conductividad eléctrica

kT

EC g

2ln T k

Em g

2

kT

ECpn g

2´lnln

• Influencia de la temperatura en la conductividad eléctrica

orínoextrínT secintsec Disminución de la movilidad del electrón al aumentar la

temperaturaDisminución de la

movilidad de los huecos al aumentar la temperatura.

EFECTO HALL

Demostración esquemática del efecto Hall

d

BIRV zxH

H

enRH

1

epRH

1

Heen

R

ee Ren

enH

1

Hhep

R

hh Rep

epH

1

Tipo n Tipo p

Concentración de transportadores de carga

electronesV

hueV

H

H

0

cos0 Tipo de transportadores

de carga

Tipo n

Tipo p

Movilidad de los transportadores de carga

PROPIEDADES MAGNÉTICAS

Clasificación de los sólidos por sus propiedades magnéticas:

• Diamagnético

• Paramagnético

• Ferromagnético

Semiconductores diamagnéticos no magnético

ESPINTRÓNICATecnología que permite la manipulación de los electrones por sus propiedades magnéticas, así como por su carga eléctrica (ejemplo mezcla de ZnO y Co)

BALANZA DE GOUYEl método de Gouy se basa en la variación del peso de la sustancia, suspendida en una balanza, producida por la

interacción con un campo magnético.

Diagrama esquemático de la balanza de Gouy.

PROPIEDADES ÓPTICAS

• Refracción

a) Mecanismo de absorción de un de un fotón en un material no metálico donde un electrón se ha excitado a través del intervalo prohibido y ha creado un hueco en la banda de valencia.b) Emisión de un fotón de luz por transición electrónica directa a través del intervalo prohibido.

• Absorción

• Reflexión

v

cn

0I

IR R

PROPIEDADES ÓPTICAS

• El color

Tabla del espectro electromagnéticovisible.

Esquema de la composición de la luzblanca (colores primarios y complementarios).

• Opacidad y translucidez

APLICACIONES DE LOS FENÓMENOS ÓPTICOS

• Luminiscencia

En este fotómetro se observa como llega la luz visibles a la lámina fotosensible y la corriente de electrones generados por losfotones (luz visible)

• Fotoconductividad

• Láseres

PROPIEDADES TÉRMICAS

• Capacidad caloríficadT

dQC

–Capacidad vibratoria

• Dilatación térmica

• Conductividad térmicaFenómeno por el cual el calor es transportado desde las regiones de alta temperatura a las regiones de baja temperatura de una sustancia

SILICIO SEMICONDUCTOR

• Preparación del silicio: - Reacciona dióxido de silicio con carbón:

Del SiHCl3 (triclorosilano) obtendremos el Si más puro una vez lo hayamos sometido a un método de destilación fraccionada.

• Purificación del Si policristalino y crecimiento del monocristal:

1º- Destilación fraccionada; separamos parte de las impurezas.2º- Fusión por zonas; purificamos prácticamente de forma total el material.

Los átomos de Si comparten sus 4 electrones.

22 COimpuroSiCSiO

- Seguidamente:

)(3 23 gHSiHClHClimpuroSi

APLICACIONES DE LOS SEMICONDUCTORES

• UNIÓN RECTIFICADORA P-N (DIODO)

Polarización directa: Polarización inversa:

Polarización directa

Polarización inversa

UNIÓN RECTIFICADORA P-N: semiconductor dopado de manera que por un lado sea de tipo n (transportadores de carga los e-) y de tipo p en el otro lado (los huecos).

• TRANSISTORESTransistores de unión

Transistores de efecto de campo (MOSFET)

Transistor de unión: formado por dos unionesp-n colocadas en una configuración p-n-p ón-p-n con su circuito asociados.

Transistor de efecto de campo: dos pequeñas Islas de semiconductores de tipo p que se creanen un substrato de Si de tipo n. Se forma una capa de SiO2 en la superficie y en dicha capase produce una conexión final.

APLICACIONES DE LOS SEMICONDUCTORES

• Láseres:

Figura a: un e- excitado se recombina con un hueco; la energía asociada a esta

recombinación Se emite en forma de fotón de luz.

Figura b: El fotón emitido en (a) estimula otra recombinación de un e- excitado con un hueco,

generando la emisión de otro fotón de luz.

Figura c: en el semiconductor se estimulan más recombinaciones de e- excitados con huecos,

generando fotones de luz adicionales.

Figura d: se observa como escapa una parte de rayo láser.

APLICACIONES DE LOS SEMICONDUCTORES

• CHIP DE SILICIO. Preparación.

- Creación de sustrato- Etapa de oxidación- Fotolitografía- Implantación de iones- División- Empaquetado

Dibujo de un chip de silicio.

- Alternativas a los chips de Silicio

Polímeros conductores

Carburo de silicio (SiC)Estructura de la cadena de un polímero.

APLICACIONES DE LOS SEMICONDUCTORES