Ciencia de Materiales II - 5

5/22/2018 Ciencia de Materiales II - 5

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CIENCIA DE MATERIALES II2014 1


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MATERIALES SEM ICONDUCTORES

NOCIONES GENERALES SOBRE LOS SEM ICONDUCTORES,CONDUCTIVIDAD: PROPIA Y

POR IMPUREZAS. CARACTERISTICAS ELECTRICASY FOTOCONDUCCION DE LOS SEM ICONDUCTORES

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Semiconductor

Un semiconductor es un elemento que se comporta como un

conductor o como aislantedependiendo de diversos factores, comopor ejemplo el campo elctrico o magntico, la presin, la radiacinque le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.Los elementos qumicos semiconductores de la tabla peridica seindican en la tabla adjunta. El elemento semiconductor ms usado

es el silicio, el segundo el germanio, aunque idnticocomportamiento presentan las combinaciones de elementos de losgrupos 12 y 13 con los de los grupos 14 y 15 respectivamente (AsGa, P In, As Ga Al, Te Cd, Se Cd y S Cd). Posteriormente se hacomenzado a emplear tambin el azufre.


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La caracterstica comn a todos ellos es que son tetravalentes,

teniendo el silicio una configuracin electrnica sp.

Slidos cr istal inos en funcin de sus propiedades elctr icas

Los Semiconductores son materiales que poseen propiedadesintermedias de conduccin.

Los materiales semiconductores ms importantes son:


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Silicio

Germanio

Ga y As

Tanto el silicio como el Germanio cristalizan en el sistema cbico con

red centrada en las caras.

Para comprender mejor esta definicin es necesario recordar la

clasificacin de los elementos segn su capacidad de conduccin; en

la naturaleza encontramos materiales:


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Parte de placa base con los componentes de semiconductores


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Conductores

Aislantes

Semiconductores

Clasificacin de Slidos cristalinos en funcin de sus propiedades

elctricas

Metales, semiconductores, aislantes

Pero cuales son las caractersticas fsicas que diferencian a

cada uno de ellos?.

Debemos ahondar un poco mas en el estudio de la fsica de los

componentes.

Los materiales que encontramos en nuestro medio son la

combinacin ordenada o estructurada de una serie de elementos

conocidos como tomos.

Estos se unen entre s para formar las molculas y la unin de estas

forma a la vez los diferentes elementos de la naturaleza.


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Desde el punto de vista electrnico: Nos interesa la

CONDUCTIVIDAD elctrica del material, electrones libres que

puedan ser arrastrados por un campo elctrico (o potencial) y

contribuyan a una corriente.


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Tipos de semiconductores

Semiconductores intrnsecos

Es un cristal de Silicio o Germanio que forma una estructura

tetradrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentesentre sus tomos, en la figura representados en el plano porsimplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambientealgunos electrones pueden absorber la energa necesaria parasaltar a labanda de conduccin dejando el correspondiente hueco

en la banda de valencia (1). Las energas requeridas, a temperaturaambiente, son de 0,7 eV y 0,3 eV para el silicio y el germaniorespectivamente.

Obviamente el proceso inverso tambin se produce, de modo que loselectrones pueden caer, desde el estado energtico correspondiente ala banda de conduccin, a un hueco en la banda de valencia liberandoenerga. A este fenmeno se le denomina recombinacin. Sucede que,a una determinada temperatura, las velocidades de creacin de parese-h, y de recombinacin se igualan, de modo que la concentracinglobal de electrones y huecos permanece invariable.


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http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0d/Semiconductor_intrinseco.png


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Siendo "n" la concentracin de electrones (cargas negativas) y "p" la concentracinde huecos (cargas positivas), se cumple que:

ni= n = p

siendo nila concentracin intrnsecadel semiconductor, funcin exclusiva de latemperatura y del tipo de elemento.

Ejemplos de valores de nia temperatura ambiente (25c):

ni(Si) = 1.5 1010cm-3

ni

(Ge) = 2.5 1013cm-3

Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En lossemiconductores, ambos tipos de portadores contribuyen al paso de lacorriente elctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de

potencial se producen dos corrientes elctricas. Por un lado la debida

al movimiento de los electrones libres de la banda de conduccin, ypor otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda devalencia, que tendern asaltara los huecos prximos (2), originandouna corriente de huecos con 4 capas ideales y en la direccincontraria al campo elctrico cuya velocidad y magnitud es muy

inferior a la de la banda de conduccin.


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Semiconductores extrnsecos

Si a un semiconductor intrnseco, como el anterior, se le aade unpequeo porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o

pentavalentes, el semiconductor se denomina extrnseco, y se diceque est dopado. Evidentemente, las impurezas debern formarparte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondientetomo de silicio. Hoy en da se han logrado aadir impurezas de una

parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificacin del

material.Semiconductor tipo N

Un Semiconductor tipo Nse obtiene llevando a cabo un proceso dedopado aadiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para

poder aumentar el nmero de portadores de carga libres (en este

caso negativos o electrones).

Cuando se aade el material dopante aporta sus electrones msdbilmente vinculados a los tomos del semiconductor. Este tipo deagente dopante es tambin conocido como mater ial donanteya que

da algunos de sus electrones.


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El propsito del dopaje tipo n es el de producir abundancia deelectrones portadores en el material. Para ayudar a entender cmo se

produce el dopaje tipo n considrese el caso del silicio (Si). Lostomos del silicio tienen una valencia atmica de cuatro, por lo quese forma un enlace covalente con cada uno de los tomos de silicioadyacentes. Si un tomo con cinco electrones de valencia, tales comolos del grupo 15 de la tabla peridica (ej. fosforo(P), arsnico(As) oantimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de untomo de silicio, entonces ese tomo tendr cuatro enlaces covalentesy un electrn no enlazado. Este electrn extra da como resultado laformacin de "electrones libres", el nmero de electrones en elmaterial supera ampliamente el nmero de huecos, en ese caso loselectrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los

portadores minoritarios. A causa de que los tomos con cincoelectrones de valencia tienen un electrn extra que "dar", sonllamadostomos donadores. Ntese que cada electrn libre en elsemiconductor nunca est lejos de un ion dopante positivo inmvil, yel material dopado tipo N generalmente tiene una carga elctr ica

neta final de cero.


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Semiconductor tipo P

Un Semiconductor tipo Pse obtiene llevando a cabo un proceso dedopado, aadiendo un cierto tipo de tomos al semiconductorpara

poder aumentar el nmero de portadores de carga libres (en estecaso positivos o huecos).

Cuando se aade el material dopante libera los electrones msdbilmente vinculados de los tomos del semiconductor. Esteagente dopante es tambin conocido como material aceptor y los

tomos del semiconductor que han perdido un electrn son conocidoscomo huecos.

Suelen tener un tamao milimtrico y, alineados, constituyendetectores multicanal que permiten obtener espectros enmilisegundos. Son menos sensibles que los fotomultiplicadores. Es

un semiconductor de tipo p (con huecos) en contacto con unsemiconductor de tipo n (electrones). La radiacin comunica laenerga para liberar los electrones que se desplazan hacia los huecos,estableciendo una corriente elctrica proporcional a la potenciaradiante.


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El propsito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos.En el caso del silicio, un tomo tetravalente (tpicamente del grupo 14de la tabla peridica) se le une un tomo con tres electrones devalencia, tales como los del grupo 13 de la tabla peridica (ej. Al, Ga,B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un tomo desilicio, entonces ese tomo tendr tres enlaces covalentes y un hueco

producido que se encontrar en condicin de aceptar un electrnlibre.

As los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada huecose ha desplazado por la red, un protn del tomo situado en laposicin del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibradocomo una cierta carga positiva. Cuando un nmero suficiente deaceptores son aadidos, los huecos superan ampliamente la

excitacin trmica de los electrones. As, los huecos son losportadores mayoritarios, mientras que los electrones son losportadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantesazules (tipo II b), que contienen impurezas de boro (B), son unejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera

natural.


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Semiconductor tipo n

Si en una red cristalina de silicio (tomos de silicio enlazados entre s) ....

Enlace covalente de tomos de germanio, obsrvese que cada tomo

comparte cada uno de sus electrones con otros cuatro tomos


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.... sustituimos uno de sus tomos (que como sabemos tiene 4

electrones en su capa exterior) por un tomo de otro elemento que

contenga cinco electrones en su capa exterior, resulta que cuatro de

esos electrones sirven para enlazarse con el resto de los tomos de lared y el quinto queda libre.

Semiconductor dopado tipo N


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A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le

denomina "Silicio tipo N.

En esta situacin hay mayor nmero de electrones que de huecos. Por

ello a estos ltimos se les denomina "portadores minoritarios" y"portadores mayoritarios" a los electrones.

Las Impurezas tipo N ms utilizadas en el proceso de dopado son el

arsnico, el antimonioy el fsforo.

Est claro que si a un semiconductor dopado se le aplica tensin ensus bornas, las posibilidades de que aparezca una corriente en el

circuito son mayores a las del caso de la aplicacin de la misma

tensin sobre un semiconductor intrnseco o puro.

Semiconductor tipo pSi en una red cristalina de silicio (tomos de silicio enlazados entre

s) .... .... sustituimos uno de sus tomos (que como sabemos tiene 4

electrones en su capa exterior) por un tomo de otro elemento que

contenga treselectrones en su capa exterior, resulta que estos tres


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http://www.google.com.pe/imgres?imgurl=http://4.bp.blogspot.com/_RU3bJpHKLZY/SekWRCpsGVI/AAAAAAAAAPk/wq0H2kVazYo/s400/tipo_n[1].gif&imgrefurl=http://electricidadelectronicaperu.blogspot.com/2009/04/los-semiconductores.html&h=333&w=343&sz=13&tbnid=Xe5Hy_grGs_5wM:&tbnh=90&tbnw=93&prev=/search?q=semiconductores+tipo+n&tbm=isch&tbo=u&zoom=1&q=semiconductores+tipo+n&docid=KUqrLoAjqGmrLM&hl=es-419&sa=X&ei=8TMPT4GvNIi3twf2hMisAg&sqi=2&ved=0CEsQ9QEwBQ&dur=161


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electrones llenarn los huecos que dejaron los electrones del tomo

de silicio, pero como son cuatro, quedar un hueco por ocupar. O sea queahora la sustitucin de un tomo por otros provoca la aparicin de huecos

en el cristal de silicio. Por tanto ahora los "portadores mayoritarios"sern los huecosy los electroneslos portadores minoritarios.

Enlace covalente de tomos de germanio, cada tomo comparte cada

uno de sus electrones con otros cuatro tomos


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A esta red de silicio dopada con esta clase de impurezas se ledenomina "silicio tipo P

Semiconductor dopado tipo P


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Fotoconduccion de los semiconductores

Efecto fotoelctr ico

Se estudia en el 1887 cuando Heinrich Hertz se da cuenta de que un

arco elctrico entre dos electrodos salta mayor distancia cuando seilumina con rayos ultravioletas. Luego otros cientficos demostraronque cuando se ilumina una superficie metlica con cierta longitudde onda los ELECTRONES del material pueden escapar masfcilmente de l lo que justificaba el experimento de Hertz. Como

este efecto estaba relacionado con la luz y la electricidad fue llamadoefecto fotoelctrico.

Para comprender el porque del efecto fotoelctrico tenemos queaceptar varias cosas que son difciles de entender desde el punto devista del macro mundo que nos rodea, veamos:

Que la luz tiene una naturaleza "extraa" que en ocasiones secomporta como una ONDA (cumple muchas leyes de las ondas), enotras, como un flujo de partculas (es capaz de producir empujecuando choca con un cuerpo opaco).


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La energa contenida en estos fotonespoda ser mayor o menor y endependencia de esto se comportaban como una onda de diferentelongitud en el espectro, por lo que fotones de mucha energaproducan luz ultravioleta de pequea longitud mientras que los

fotones de poca energa producen luz en la zona infrarroja ymayor longitud, o bien al revs, la luz infrarroja tiene fotones de

baja energa y la ultravioleta de mayor energa.

Que la energa de los fotones era independiente de la intensidad de la

luz, mas bien una luz intensa tiene mas "proyectiles" y una dbilmenos.

As quedaba resuelto el asunto, estos fotones se comportan comoondas durante el movimiento y al mismo tiempo cuando un cuerpoopaco los absorbe y los detiene, parte de su energa se convierte en

masa y pueden producir empuje mientras el resto produce incrementode la energa (por ejemplo calorfica) del cuerpo receptor.

Los elementos que constituyen la materia que nos rodea son tambinde naturaleza "extraa", y se comportan al mismo tiempo como

partculas con masa y como si fueran un "paquete de energa".


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Esta dualidad ha tratado de explicarse con la teora cuntica, peropara nuestro propsito, es suficiente con asumir que los componenteselementales de la materia son partculas.

La partcula elemental que nos interesa es el electrn, portador decarga negativa con una masa casi despreciable. Estos electronestienen la particularidad de agruparse en cantidades fijas en losalrededores del ncleo atmico a ciertas distancias preestablecidas(niveles y sub-niveles de energa) y que cuando uno de ellos recibe

energa adicional por el choque de otra partcula nunca aumenta sumasa si no que se traslada a una de estas rbitas mas lejanas delncleo. Si la energa recibida es suficiente puede incluso abandonar eltomo y convertirlo en un ion.

Que solo cuando el ltimo nivel o sub-nivel de energa (nivel de

valencia) del tomo est incompleto de electrones, los all presentespueden saltar de un tomo al vecino para producir lo que conocemoscomo corriente elctrica. El resto de los electrones de los niveles ysub-niveles precedentes estn completos y son fuertemente retenidos

por el ncleo y no se comparten a tomos vecinos.


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De todo esta madeja de cosas medio "incomprensibles" y para simplificar la

explicacin, vamos a asumir que tanto el fotn como el electrn son

partculas, y que cuando se ilumina un cuerpo, los fotones de la luz chocan

con las partculas de los tomos de la superficie como si fueran bolas de

billar.

Porquel efecto fotoelctr ico

Sentadas las bases para la compresin tratemos ahora de explicar porqu se

produce el efecto fotoelctrico.

Si tomamos una sustancia cualquiera y la iluminamos, estamosbombardeando los tomos de la superficie con fotones, algunos de estos

fotones pueden chocar con los electrones de un tomo y suministrarle la

energa necesaria para cambiar de rbita atmica y colocarse en el nivel de

valencia y hasta abandonar el tomo. Al hacer esto pueden producirse tres

manifestaciones diferentes del efecto fotoelctrico:

La foto ionizacin: Es la ionizacin de un gas por la luz u otra radiacin

electromagntica. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente

energa para sacar uno o ms electrones externos de los tomos de gas y as

lograr el ion.


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La foto conduccin: Los electrones de algunos materiales

semiconductores cristalinos absorben energa de los fotones y llegan

as subir a los niveles de energa en la que pueden desplazarse

libremente y conducir electricidad. Este efecto puede producirse entodos los materiales pero en los buenos conductores la conduccin

base es tal que impide la percepcin del efecto.

El efecto fotovoltaico, los fotones pueden producir acumulacin de

carga elctrica (electrones) en las proximidades de la cara iluminada

de un material mientras se produce una deficiencia en la otra. Si se

capturan esos electrones acumulados y se conectan a travs de un

conductor a la otra cara se produce el flujo de una corriente. Hemos

logrado un generador fotoelctrico.


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SEMICONDUCTORES ELEMENTALES Y COMPUESTOS.

EL GERMANIO Y EL SILICIO, SUS PROPIEDADES

Y USO. ESTRUCTURAS SEMICONDUCTORAS.

NOCIONES SOBRE LA TECNOLOGIA DE PLANO PARA

LA FORMACION DE ESTRUCTURAS SEMICONDUCTORAS

EN CIRCUITOS INTEGRADOS. CALCULO DE SELECCION

DE LOS MATERIALES CON LAS PROPIEDADES

DETERMINADAS POR EL DISENO_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Introduccin

Sin lugar a dudas, el estudio de las propiedades fsicas de los

materiales semiconductores y sus sorprendentes aplicaciones en eldesarrollo tcnico de dispositivos elctricos, representan una de las

revoluciones cientfico-tecnolgicas de mayor impacto sobre nuestra

sociedad.


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Para tener una idea de la real magnitud de esta revolucin pensemos

por un momento en los transistores, probablemente la aplicacin

tecnolgica ms importante de los semiconductores. Cualquier

habitante del mundo moderno se encuentra rodeadocotidianamente por millones de transistores. Estn en el televisor,

en el equipo de msica, en la mquina de lavar, en el reloj de

pulsera, en el telfono celular. Un computador personal puede

llegar a tener algunos miles de millones de transistores. De hecho,

en el mundo existen muchos ms transistores que personas. Pero,

naturalmente, una cosa es usar esta tecnologa y otra muy distinta

es entender como opera. Este ltimo es el objetivo que persigue este

breve artculo. Sin embargo, dada la naturaleza altamente

especializada del tema y el reducido espacio disponible paradesarrollarlo, siempre que sea posible dejaremos de lado las

consideraciones de carcter tcnico que obligaran a extender la

discusin ms all de lo pertinente.


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La teora cuntica nos ensea que los tomos tienen niveles de

energa discretoscuando estn aislados unos de otros. Sin embargo,

si consideramos una gran cantidad de tomos la situacin cambia

dramticamente. Realicemos un experimento imaginario en el que unconjunto de N tomos idnticos inicialmente aislados son

gradualmente acercados entre si para formar una red cristalina.

Observaremos los siguientes cambios en la estructura electrnica:

Cuando losN tomos

se encuentran muy prximos, lasfuncionesde onda electrnicas se empiezan a cruzar y la interaccin entre

ellos ocasiona que cada nivel energtico se divida en N niveles con

energas ligeramente diferentes.

En un slido macroscpico, N es del orden de 1023 , de modo que

cada nivel se divide en un nmero muy grande de niveles energticos

llamados una banda. Los niveles estn espaciados casi

continuamente dentro de una banda.


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Las bandas de energa, llamadas tambin bandas permitidas, seencuentran separadas unas de otras por brechas, denominadas bandas

prohibidas. El ancho de estas bandas depender del tipo de tomoy el tipo de enlace en el slido. Las bandas se designan por las letras

s, p, d etc. de acuerdo al valor del momentum angular orbital delnivel energtico al cual estn asociadas.

De acuerdo al principio de exclusin de Pauli, si consideramos uncristal compuesto por N tomos, cada banda podr acomodar un

mximo de 2

(2l +1)N electrones, correspondientes a las dosorientaciones del espn y a las 2l +1orientaciones del momentumangular orbital. Agreguemos finalmente que, de no ser por el

principio de exclusin, los electrones se agolparan en su estado demnima energa haciendo imposible la formacin de bandas.

Metales, semiconductores y aislantesLas bandas asociadas con las capas completas internas en los tomosoriginarios tienen las cuotas exactas de electrones que les permite el

principio de exclusin de Pauli.


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En estas bandas los orbitales no sufren alteraciones significativas y retienen

su carcter atmico al formarse el slido. Sin embargo, la banda

correspondiente a la capa atmica ms externa, ocupada por los electronesde valencia, es la ms interesante en lo que se refiere a las propiedades de

los slidos. Si la banda ms externa no est completamente llena, se

denomina banda de conduccin. Pero, si est llena, se llama banda de

valenciay la banda vaca que queda inmediatamente encima de esta ltima

recibe el nombre de banda de conduccin.


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Estamos ahora en condiciones de definir los distintos tipos de

materiales de acuerdo a sus propiedades de transporte de corriente

elctrica:

Conductor es toda sustancia en que la energa del primer estadoelectrnico vaco se encuentra inmediatamente adyacente a la energa

del ltimo estado electrnico ocupado. En otros trminos, un

conductor es un material en el cual la ltima banda ocupada no est

completamente llena.

Aislante es toda sustancia en que la energa del primer estado

electrnico vaco se encuentra separada, por unabrecha finita, de la

energa del ltimo estado electrnico ocupado.

Semiconductor

es un material aislador en que el ancho de banda

prohibida es menor que 1eV.

A fin de precisar nuestra definicin desemiconductor recordemos que

a temperatura ambiente (T 300oK ) la energa trmica transferida a

un electrn de la red es del orden deK T 0.025eV. B Un clculo


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estadstico que omitiremos muestra que esta energa es suficiente

para que una pequea fraccin de los electrones en la banda de

valencia pueda saltara la banda desocupada. Sin embargo, a

temperatura nula ningn electrn podr ocupar la bandasuperior.

Por lo tanto, los semiconductores a T =00 K son aisladores. Esto nos

permite definir los semiconductores como aisladores de banda

prohibida considerable. La Figura 2 muestra esquemticamente las

diferencias existentes entre las tres clases de slidos de acuerdo a sus

propiedades de transporte de carga.

Tabla 1 Gap de energa

de algunos aisladores y

semiconductores.


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Aislante Semiconductor ConductorFigura 2. Metales, semiconductores y aislantes desde el punto de

vista de la teora de bandas.


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Figura 3. En un semiconductor con tomos dadores (por ejemplo

P en Si), el nivel dador se encuentra justo por debajo de la banda de

conduccin. Los electrones (-) son promocionados fcilmente a la

banda de conduccin. El semiconductor es de tipo-n. En unsemiconductor con tomos aceptores ( por ejemplo Al en Si), el nivel

aceptor se encuentra justo por encima de la banda de valencia. Los

electrones son promovidos fcilmemnte al nivel aceptor dejando

agujeros positivos (+) en la banda de valencia. El semiconductor es

de tipo-p.

Figura 3


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Aplicaciones de los semiconductores

A partir de la dcada de 1950, los dispositivos semiconductores -conocidos

tambin como dispositivos de estado slido- remplazaron los tubos

electrnicos de la industria tradicional. Por la enorme reduccin detamao, consumo de energa y costo, acompaada de una mucho mayor

durabilidad y confiabilidad, los dispositivos semiconductores significaron

un cambio revolucionario en las telecomunicaciones, la computacin, el

almacenamiento de informacin, etc.

Desde el punto de vista de su forma de operacin, el dispositivosemiconductor ms simple y fundamental es el DIODO; todos los dems

dispositivos pueden entenderse en base a su funcionamiento. Cuando un

semiconductor de tipo n y otro de tipo p se unen del modo indicado en la

Figura 4, las concentraciones inicialmente desiguales de electrones y

vacantes dan lugar a una trasferencia de electrones a travs de la unindesde el lado p al n y de vacantes desde el lado n al p. Como resultado, se

crea una doble capa de carga en la unin semejante a la de un

condensador de placas paralelas, siendo negativo el lado p y positivo el

lado n.


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Fig. 4


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Fig. 4


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UNION pn NO POLARIZADA

Una unin pnconsiste en un nico cristal semiconductor al cual se

le han aadido impurezas de manera que se obtiene una zona py otra

n. Si estuviera formado por dos cristales independientes, antes de

conformar fsicamente la unin, se tendra una distribucin de

portadores segn se indica en la figura.


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Representacin Esquemtica de una unin pn


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El elevado gradiente de concentracin hueco-electrn a lo largo de

la unin, inicia un proceso de difusin, creando una zona de carga

espacial en la zona de unin.

Semiconductores compuestos

Chips de LED y obleas de silicio de LED / LED ultra brillante


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Obleas de

silicio del

LED

Nombre del

producto nm Material Estructura Polaridad

PG 559Fosfuro de galio

(GaP)P-up

GMGG 563Fosfuro de galio

(GaP)P-up

MGG 566Fosfuro de galio

(GaP)P-up

MMG 567Fosfuro de galio

(GaP)P-up

MG 568Fosfuro de galio

(GaP)P-up

NUYG-2 569Fosfuro de galio

(GaP)N-up

UYG-1 569Fosfuro de galio

(GaP)

P-up


(GaP)P-up


(GaP)P-up


(GaP)

P-up


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Oblea (electrnica)

En microelectrnica, una oblea es una fina plancha de material

semiconductor, como por ejemplo cristal de silicio, sobre la que se

construyen microcircuitos mediante tcnicas de dopado (por ejemplo,difusin o implantacin de iones), grabado qumico y deposicin de

varios materiales. Las obleastienen, de esta manera, una importancia

clave en la fabricacin de dispositivos semiconductores tales como

los circuitos integrados.

Una oblea de silicio grabada

L ista de mater iales semiconductores
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d4/Etchedwafer.jpg


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L ista de mater iales semiconductores

Grupo IV

Elementos del Grupo IV. Semiconductores elementales

Diamante (C)

Silicio (Si)

Germanio (Ge)

Grupo III-V

Semiconductores con elementos de los Vctor grupos III y V

Antimonio de aluminio (AlSb)Arseniuro de aluminio (AlAs)

Nitruro de aluminio (AlN)

Fosfuro de aluminio (AlP)

Nitruro de boro (BN)Fosfuro de boro (BP)

Arseniuro de boro (BAs)

Antimoniuro de galio (GaSb)

Arseniuro de galio (GaAs)

G II VI


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Grupo II-VI

Semiconductores de los grupos II y VI

Seleniuro de cadmio (CdSe)

Sulfuro de cadmio (CdS)

Grupo I-VII

Semiconductores de los grupos I y VII

Cloruro de cobre (CuCl)

Grupo IV-VI

Semiconductores de los grupos IV y VI

Seleniuro de plomo (PbSe)

Sulfuro de plomo (PbS)Teluro de plomo (PbTe)

Sulfuro de estao (SnS)

Teluro de estao (SnTe)

Grupo V VI


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Grupo V-VI

Semiconductores de los grupos V y VI

Teluro de bismuto (Bi2Te3)

Grupo II-VSemiconductores de los grupos II y V

Fosfuro de cadmio (Cd3P2)

Arseniuro de cadmio (Cd3As2)

Antimoniuro de cadmio (Cd3Sb2)Fosfuro de zinc (Zn3P2)

Arseniuro de zinc (Zn3As2)

Antimoniuro de zinc (Zn3Sb2)

Circui to integradoUn circuito integrado (CI), tambin conocido como chip omicrochip, es una pastilla pequea de material semiconductor, dealgunos milmetros cuadrados de rea, sobre la que se fabricancircuitos electrnicos generalmente mediante fotolitografa y que

t t id d t d l d d l ti i


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est protegida dentro de un encapsulado de plstico o cermica.

El encapsulado posee conductores metlicos apropiados para hacer

conexin entre la pastilla y un circuito impreso.

Circuitos integrados de memoria con una ventana de cristal de

cuarzo que posibilita su borrado mediante radiacin ultravioleta.

En abril de 1949 el ingeniero alemn Werner Jacobi (Siemens
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5c/Microchips.jpg


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En abril de 1949, el ingeniero alemn Werner Jacobi (SiemensAG) completa la primera solicitud de patente para circuitosintegrados con dispositivos amplificadores de semiconductores.Jacobi realiz una tpica aplicacin industrial para su patente, la cual

no fue registrada.Ms tarde, la integracin de circuitos fue conceptualizada por elcientfico de radares Geoffrey W.A. Dummer (1909-2002), queestaba trabajando para la Royal Radar Establishmentdel Ministeriode Defensa Britnico, a finales de la dcada de 1940 y principios dela dcada de 1950.

El primer circuito integrado fue desarrollado en 1959 por elingeniero Jack Kilbypocos meses despus de haber sido contratado

por la firma Texas Instruments. Se trataba de un dispositivo de

germanio que integraba seis transitores en una misma basesemiconductora para formar un osciladorde rotacin de fase.

En el ao 2000 Kilby fue galardonado con el Premio Nobel deFsica por la enorme contribucin de su invento al desarrollo de latecnologa.

Al mismo tiempo que Jack Kilby pero de forma independiente


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Al mismo tiempo que Jack Kilby, pero de forma independiente,Robert Noyce desarroll su propio circuito integrado, que patentunos seis meses despus. Adems resolvi algunos problemas

prcticos que posea el circuito de Kilby, como el de la interconexin

de todos los componentes; al simplificar la esctructura del chipmediante la adicin del metal en una capa final y la eliminacin dealgunas de las conexiones, el circuito integrado se hizo ms adecuado

para la produccin en masa. Adems de ser uno de los pioneros delcircuito integrado, Robert Noyce tambin fue uno de los co-

fundadores de Intel, uno de los mayores fabricantes de circuitosintegrados del mundo.

Los circuitos integrados se encuentran en todos los aparatoselectrnicosmodernos, como automviles, televisores, reproductores

de CD, reproductores de MP3, telfonos mviles, computadoras, etc.El desarrollo de los circuitos integrados fue posible gracias adescubrimientos experimentales que demostraron que lossemiconductores pueden realizar algunas de las funciones de lasvlvulas de vacio.

La integracin de grandes cantidades de diminutos transitores en


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La integracin de grandes cantidades de diminutos transitores enpequeos chips fue un enorme avance sobre el ensamblaje manualde los tubos de vaco (vlvulas) y en la fabricacin de circuitoselectrnicosutilizando componentes discretos.

La capacidad de produccin masiva de circuitos integrados, suconfiabilidad y la facilidad de agregarles complejidad, llev a suestandarizacin, reemplazando diseos que utilizaban transistoresdiscretos, y que pronto dejaron obsoletas a las vlvulas o tubos devaco.

Tipos de circui tos integrados

Existen al menos tres tipos de circuitos integrados:

Circuitos monolticos: Estn fabricados en un solo monocristal,habitualmente de silicio, pero tambin existen en germanio,

arseniuro de galio, silicio-germanio, etc.

Circuitos hbridos de capa fina: Son muy similares a los circuitosmonolticos, pero, adems, contienen componentes difciles defabricar con tecnologa monoltica.

Muchos conversores A/D y conversores D/A se fabricaron en


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Muchos conversores A/D y conversores D/A se fabricaron en

tecnologa hbrida hasta que los progresos en la tecnologa

permitieron fabricar resistores precisos.

Circuitos hbridos de capa gruesa: Se apartan bastante de loscircuitos monolticos. De hecho suelen contener circuitos monolticos

sin cpsula, transitores, diodos, etc. sobre un sustrato dielctrico,

interconectados con pistas conductoras. Los resistores se depositan

por serigrafay se ajustan hacindoles cortes con laser. Todo ello se

encapsula, en cpsulas plsticas o metlicas, dependiendo de la

disipacin de energa calrica requerida. En muchos casos, la cpsula

no est "moldeada", sino que simplemente se cubre el circuito con

una resina epoxipara protegerlo. En el mercado se encuentran

circuitos hbridos para aplicaciones en mdulos de radio frecuencia(RF), fuentes de alimentacin, circuitos de encendido para

automvil, etc.

Clasif icacin de cir cui tos integrados

Atendiendo al nivel de integracin nmero de componentes los


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Atendiendo al nivel de integracin - nmero de componentes - los

circuitos integrados se pueden clasificar en:

SSI (Small Scale Integration) pequeo nivel: de 10 a 100

transistoresMSI(Medium Scale I ntegration) medio: 101 a 1.000 transistores

LSI(Large Scale I ntegration) grande: 1.001 a 10.000 transistores

VLSI(Very Large Scale I ntegration) muy grande: 10.001 a 100.000

transistoresULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande: 100.001 a

1.000.000 transistores

GLSI(Giga Large Scale I ntegration) giga grande: ms de un milln

de transistores.En cuanto a las funciones integradas, los circuitos se clasifican en

dos grandes grupos:

Circui tos integrados analgicos.

Pueden constar desde simples transistores encapsulados juntos sin


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Pueden constar desde simples transistores encapsulados juntos, sin

unin entre ellos, hasta circuitos completos y funcionales, como

amplificadores, osciladores o incluso receptores de radio

completos.Circuitos integrados digitales.

Pueden ser desde bsicas puertas lgicas (AND, OR, NOT) hasta

los ms complicados microprocesadores o microcontroladores.

Algunos son diseados y fabricados para cumplir una funcinespecfica dentro de un sistema mayor y ms complejo.

En general, la fabricacin de los CIes compleja ya que tienen una

alta integracin de componentes en un espacio muy reducido, de

forma que llegan a ser microscpicos. Sin embargo, permiten grandessimplificaciones con respecto los antiguos circuitos, adems de un

montaje ms eficaz y rpido.

Serigrafa


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Serigrafa

La serigrafaes una tcnica de impresin empleada en el mtodo de

reproduccin de documentos e imgenes sobre cualquier

material, y consiste en transferir una tinta a travs de una mallatensada en un marco, el paso de la tinta se bloquea en las reas donde

no habr imagen mediante una emulsin o barniz, quedando libre la

zona donde pasar la tinta.

El sistema de impresin es repetitivo, esto es, que una vez que elprimer modelo se ha logrado, la impresin puede ser repetida cientos

y hasta miles de veces sin perder definicin.

TECNOLOGA DE LOS CIRCUI TOS INTEGRADOS

MONOLTI COS

El termino "monoltico" se deriva de las palabras griegas monoque

significa nico, y lithos que significa piedra. As un circuito

integrado monoltico se construye en una nica piedra o cristal de

silicio.

La palabra integrado se debe a que todos los componentes del


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La palabra integrado se debe a que todos los componentes del

circuito: transistores, diodos, resistencias, capacidades y sus

interconexiones se fabrican como un ente nico. Obsrvese que no

se incluyen inductancias: una de las consecuencias de la construccinde circuitos integrados semiconductores es precisamente que no

pueden conseguirse valores de inductancia prcticos. La variedad de

procesos con los que se fabrican estos circuitos se desarrollan

sobre un plano nico y por tanto puede hablarse de tecnologa

planar.

La figura 1 (a)representa la estructura de un

integrado bipolar, lo que es la materializacindel circuito de la figura 1 (b).


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En la figura 2 se pueden ver varias capas que son:

regiones de silicio dopadas n y p, el dixido de

Silicio SiO2denominada tambin capa de oxido, y

las zonas metlicas. Las capas de silicio forman los

elementos del sistema as como el Sustrato o

Cuerpo en el que se construye el circuitointegrado. Adems las zonas de silicio se emplean

para aislar unos de otros componentes. para formar

las capas de silicio se emplean tres procesosdistintos que son el epitaxial, de difusin, y el de

Implantacin de Iones.

Figura 2 (a) Circuito MOS canal n con cargas de


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Figura 2 (a) Circuito MOS canal n con cargas de

Deplexion. (b) Disposicin como CI


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La capa de oxido se utiliza para proteger la superficie del chip de


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La capa de oxido se utiliza para proteger la superficie del chip delos contaminantes externos y para permitir la formacin selectivade las regiones n y p. El oxido se elimina por corrosin qumica quedescubre las partes de la superficie en las que se debern formar esas

regiones n y p. Las zonas a corroer se delimitan por tcnicas defotolitografia. La fina capa metlica se obtiene por deposicinqumica de vapor de aluminio sobre la superficie del chip. Paradelimitar los trazos se emplea la fotolitografia y mediante corrosinse elimina el aluminio sobrante dejando solo las conexiones entre

componentes. Las figuras 1 y 2 son solo parte de un conjunto mscomplejo, sobre una oblea nica de silicio se fabricansimultneamente muchos de tales circuitos. El cristal de silicio(oblea) forma el sustrato sobre el que se hacen todos loscomponentes del circuito. En la actualidad las obleas empleadastienen un dimetro de 20 cm o ms, y su espesor es de 0,2 a 0,3mm, da la suficiente resistencia mecnica para impedir su flexin.Completando el proceso de fabricacin la oblea se divide en 100 a8000 partes rectangulares con 1 a 10 mm de lado.

Cada una de estas partes constituye un circuito nico como la figura


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Cada una de estas partes constituye un circuito nico como la figura

3que puede contener desde una decena hasta varios cientos de miles.


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Ciencia de Materiales II - 5