Semiconductores-presentacion PPT CLASE INICIAL
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Profesor :Ing. Juan F. Tisza Contreras
Programa de búsqueda para sustituir los conmutadores electromecánicos con otros Programa de búsqueda para sustituir los conmutadores electromecánicos con otros basados en semiconductores.basados en semiconductores.
1936 Bell T. Laboratories1936 Bell T. Laboratories
Propone una teoría de bandas del sólido y el concepto de impurezas donadoras y Propone una teoría de bandas del sólido y el concepto de impurezas donadoras y aceptoras.aceptoras.1931 A. Wilson1931 A. Wilson
Concepto de hueco como quasi-partícula de carga positivaConcepto de hueco como quasi-partícula de carga positiva1931 W. Heisenberg1931 W. Heisenberg
Postula que la resistividad de los semiconductores depende de TPostula que la resistividad de los semiconductores depende de T1903 J. Koenigsberg1903 J. Koenigsberg
Descubre que la corriente eléctrica en los metales es debida al movimiento de los Descubre que la corriente eléctrica en los metales es debida al movimiento de los electroneselectrones1901 V. E. Riecke1901 V. E. Riecke
Descubrimiento del electrónDescubrimiento del electrón1897 J.J. Thomson 1897 J.J. Thomson
Primer diodo de vacío Primer diodo de vacío 1874 F. Braun1874 F. Braun
Descubre que la conductividad de algunos materiales aumenta con TDescubre que la conductividad de algunos materiales aumenta con T1833 M. Faraday1833 M. Faraday
Introduce la palabra “semiconductor”Introduce la palabra “semiconductor”1782 A. Volta1782 A. Volta
Primer fotodiodo basado en la unión p/n de silicio Primer fotodiodo basado en la unión p/n de silicio 19401940
Shockley: dispositivo amplificador basado en semiconductores Shockley: dispositivo amplificador basado en semiconductores 19391939
Primera radio de transistorPrimera radio de transistor1948 1948
Invención del transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley )Invención del transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley )1947 1947
Western Electric: primer transistor comercial (amplificador para auriculares para Western Electric: primer transistor comercial (amplificador para auriculares para sordos)sordos)1951 1951
Agosto 2010
2
Juan F. Tisza C.
1956 1956
1956 1956
1956 1956
1956 1956
1956 1956 Bardeen, Brattain e Shockley reciben el premio Nobel por la descubrimiento del transistor. Bardeen, Brattain e Shockley reciben el premio Nobel por la descubrimiento del transistor.
Agosto 20103
Juan F. Tisza C.
Diferencias conductor – semiconductor Semiconductores. Conducción intrínseca y
extrínseca Modelo de bandas de energía Ley de acción de masas Ley de la neutralidad eléctrica Corrientes de desplazamiento Corrientes de difusión
Agosto 2010 Más
4
Juan F. Tisza C.
Influencia de la temperatura en la resistencia
Agosto 2010
108 (m)-1
Cu
T
Efecto HallFotoresistencia
T
106 (m)-1
Ge
6
Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
VH
Jva
F
B
-VH
JvaF
B
En semiconductores: silicio dopado con galio
En conductores
7
Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
luz
Frecuencia radiaciónEnergía de los fotones
Foto
cond
uctiv
idad
del
Ge
A
8
Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
++ + + + +
+
+ + + +
+
+
+ + +
+ + + + +
+
+ + + +
+
+
+ + +
+ + + +
+
+ + + +
+
+
+ + +
1029 e- libres/m3
9
Juan F. Tisza C.
Agosto 201010
Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
T = 0 K
A 300 K: 1e– cada 109 átomos, 1019 e–/m3
T 0 K
E
GeConcentración de e-: (n)
Concentración de h : (p)
n = p
12
Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
e– poco ligado (0.03 -0.1 eV)
e– ocupa el hueco (0.04 -0.12 eV)
Ga
Átomo donador P,As,Sb: (ND)
As
tipo N E
Átomo aceptor B,Al,Ga,In: (NA)
tipo P
Portadores mayoritarios: n 1022/m3
Portadores minoritarios: p 1016/m3
Portadores mayoritarios: p 1022/m3
Portadores minoritarios: n 1016/m3
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Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
1
H1,008
2
He4,003
3
Li6,941
4
Be9,012
5
B10,811
6
C12,011
7
N14,007
8
O15,999
9
F18,998
10
Ne20,183
11
Na22,990
12
Mg24,305
13
Al26,982
14
Si28,086
15
P30,974
16
S32,064
17
Cl35,453
18
Ar39,948
19
K39,10
20
Ca40,08
...30
Zn65,37
31
Ga69,72
32
Ge72,59
33
As74,92
34
Se78,96
35
Br79,91
36
Kr83,80
37
Rb85,47
38
Sr87,62
...48
Cd112,40
49
In114,82
50
Sn118,89
51
Sb121,75
52
Te127,60
53
I126,90
54
Xe131,30
55
Cs132,91
56
Ba137,33
...80
Hg200,59
81
Tl204,37
82
Pb207,19
83
Bi208,98
84
Po(210)
85
At(210)
86
Rn(222)
14
Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
1
H1,008
2
He4,003
3
Li6,941
4
Be9,012
5
B10,811
6
C12,011
7
N14,007
8
O15,999
9
F18,998
10
Ne20,183
11
Na22,990
12
Mg24,305
13
Al26,982
14
Si28,086
15
P30,974
16
S32,064
17
Cl35,453
18
Ar39,948
19
K39,10
20
Ca40,08
...30
Zn65,37
31
Ga69,72
32
Ge72,59
33
As74,92
34
Se78,96
35
Br79,91
36
Kr83,80
37
Rb85,47
38
Sr87,62
...48
Cd112,40
49
In114,82
50
Sn118,89
51
Sb121,75
52
Te127,60
53
I126,90
54
Xe131,30
55
Cs132,91
56
Ba137,33
...80
Hg200,59
81
Tl204,37
82
Pb207,19
83
Bi208,98
84
Po(210)
85
At(210)
86
Rn(222)
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Juan F. Tisza C.
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Estados o niveles de energía permitidos
EN
ER
GÍA
DE
L e-
+p
Hidrógeno
+6
6Carbono: 1s2 2s2 2p2
aislante
14Silicio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
32Germanio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s24p2
semiconductoressemiconductores
50Estaño: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d10 4s24p64d105s25p2
conductor
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Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
X3 X2 X1
G raf i t o Á tomos aisladosD iaman te
2s²
2p²
Niveles vacíos
N iveles ocupados
d
E
BAND APRO H IBID A
BAN DAD E
C O ND U CC IÓ N
BAND AD E
VALENC IA
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Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
BV
BC
Eg = 10 eV
BV
BC
Eg = 1 eV
BV
BC
Aislante Semiconductor Conductor
Eg(Si) = 1,12 eV
Eg(Ge) = 0,66 eVT = 300 K
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Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
Eg (Si) 1,1 eV
Eg (Ge) 0,7 eV
Eg
E
T = 0 K
Banda de valencia
Banda prohibida
Banda de conducción
n = p = ni
T > 0 K
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Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
0.01 eV
T > 0 K
Nivel donante
T = 0 K
E
Ión de impureza donante
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Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
Nivel aceptor
E
0,01 eV
T = 0 K T > 0 K Ión de impureza aceptora
Huecos en la BV
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Juan F. Tisza C.
ni(Ge, 300 K) = 2,4·1019 port./m3
ni(Si, 300 K) = 1,5·1016 port./m3
Agosto 2010
n·p = ni2
kT2E
23
i
g
eAT)t(fn
n: número de electrones por unidad de volumenp: número de huecos por unidad de volumenni: concentración intrínseca
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Juan F. Tisza C.
NA + n = ND + p
Intrínseco NA = ND = 0 p = n =
ni
Tipo n NA = 0; n ND
Tipo p ND = 0; p NA
Agosto 2010
D
2i
Nnp
A
2i
Nnn
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Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
NA + n = p ; p >>>>> n; NA p
P N
Iones de impureza aceptora INMÓVIL
Hueco dejado por electrón MÓVIL
Electrón térmico MÓVIL
Hueco térmico MÓVIL
ND + p = n ; n >>>>> p; ND n
Iones de impureza dadora
INMÓVIL
Electrón liberado por dador MÓVIL
Electrón térmico MÓVIL
Hueco térmico MÓVIL
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Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
Ge SiNúmero atómico 32 14Masa atómica (g/mol) 72,6 28,08Radio atómico (nm) 0,137 0,132Estructura electrónica [Ar]4s23d104p2 [Ne]3s23p2
Densidad kg/m3 5323 2330Temperatura de fusión 937,4 ºC 1410 ºCCalor específico J/kg·ºC 309 677Concentración atómica at/m3 4,42·1028 4,96·1028
Concentración intrínseca (300 K) 2,36·1019 m-3 1,5·1016 m-3
Constante A m-3·K-3/2 1,91·1021 4,92·1021
Anchura banda prohibida (300 K) 0,67 eV 1,1 eVMovilidad electrones (300 K) 0,39 m2/Vs 0,135 m2/VsMovilidad huecos (300 K) 0,182 m2/Vs 0,05 m2/VsResistividad intrínseca (300 K) 0,47 m 2300 mDifusividad electrones 10,1·10-3 m2/s 3,5·10-3 m2/sDifusividad huecos 4,9·10-3 m2/s 1,3·10-3 m2/sPermitividad eléctrica 15,7 12Masa efectiva electrones 0,5 m0 1,1 m0
Masa efectiva huecos 0,37 m0 0,59 m0
26
Agosto 2010
0
5
10
15
20
25
30
250 270 290 310 330 350 370T (K)
Con
duct
ivid
ad (S
/m)
Ge
Semiconductor extrínseco
0
1
2
0 100 200 300 400 500T (K)
Con
duct
ivid
ad (S
/m)
Si puro
ND=5∙1019 m-3
ND=1020 m-3
A poca temperatura, las impurezas se ionizan
rápidamente.Los portadores procedentes de las impurezas, ya ionizadas, no
aumentan sensiblemente.
A temperaturas altas, la conducción intrínseca se
hace significativa.
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Juan F. Tisza C.
J = Jp + Jn = qe(nn + pp)E = E = qe(nn + pp)
Agosto 2010
Enq)E)(q(nvnqJ nenenn
EpqvpqJ pepp
vn = -nE
Jn
Jp
vp = pE
Eext
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Juan F. Tisza C.
Intrínsecos
Agosto 2010
p = n = ni
= qe(nn + pp)
= qeni(n + p)p
p >> n qpp
n >> p qnn
n
Extrínsecos
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Juan F. Tisza C.
Ley de FickDn Difusividad de electrones (Dn Si = 3,5·10-3 m2/s)Dp Difusividad de huecos (Dp Si = 1,31·10-3 m2/s)
Agosto 2010
n = 0
Jdif = -qDn
Relación de Einstein: Tp
p
n
n Vq
kTDD
k (Constante de Boltzmann) = 1,38·10-23 JK-1 VT(300 K) = 25,85 mV
dxndn
Ley de OhmJ = -V
30
Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
Jn
N
n
Jn = qeDnn
P
Jp
p
Jp = -qeDpp
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Juan F. Tisza C.
Agosto 2010
p = p(x)
x2x1
0 x en circuito abierto Jdif + Jdesp = 0
p(x2)p(x1)
0EqpdxpdqD pp
Relación de Einstein: pTpp Vq
kTD sigue
E
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Juan F. Tisza C.
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dVEdxpdpVT VT(300 K) = 25.85 mV
p 2
1T12 p
plnV V- V T
12
VVV
21 epp
n 2
1T12 n
nlnV V- V T
12
VVV
21 enn
Ejemplo: p1 = 1016 huecos/m3; p2 = 1022 huecos/m3
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