9.11: Adhesión en Semiconductores
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- Con la ayuda de diagramas simples, muestre cómo los diferentes rangos de energía de banda en los sólidos pueden producir conductores, aisladores y semiconductores.
- Describir la naturaleza y el comportamiento de una unión PN simple.
La teoría de bandas de sólidos proporciona un claro conjunto de criterios para distinguir entre conductores (metales), aisladores y semiconductores. Como hemos visto, un conductor debe poseer un rango superior de niveles permitidos que sólo están parcialmente llenos de electrones de valencia. Estos niveles pueden estar dentro de una sola banda, o pueden ser la combinación de dos bandas superpuestas. Una estructura de banda de este tipo se conoce como banda de conducción.
Arreglos de banda en conductores. La conducción metálica requiere la presencia de niveles vacíos en los que los electrones pueden moverse a medida que adquieren impulso. Esto se puede lograr cuando una banda solo está parcialmente ocupada o se superpone a una banda vacía (derecha), o cuando la brecha entre una banda llena y una superior vacía es suficientemente pequeña (izquierda) para permitir que la energía térmica ordinaria suministre la energía de promoción.
Aisladores y semiconductores
Un aislante se caracteriza por un gran espacio de banda entre la banda llena más alta y una banda vacía aún más alta. La brecha de banda es lo suficientemente grande como para evitar cualquier población significativa de la banda superior por excitación térmica de electrones de la inferior. La presencia de un campo eléctrico muy intenso puede ser capaz de suministrar la energía requerida, en cuyo caso el aislador sufre una ruptura dieléctrica. La mayoría de los cristales moleculares son aislantes, al igual que los cristales covalentes como el diamante.
Si el intervalo de banda es lo suficientemente pequeño como para permitir que los electrones en la banda llena debajo de él salten a la banda vacía superior por excitación térmica, el sólido se conoce como semiconductor. En contraste con los metales, cuya conductividad eléctrica disminuye con la temperatura (las vibraciones de la red más intensas interfieren con la transferencia de impulso por el fluido electrónico), la conductividad de los semiconductores aumenta con la temperatura. En muchos casos la energía de excitación puede ser proporcionada por la absorción de luz, por lo que la mayoría de los semiconductores también son fotoconductores. Ejemplos de elementos semiconductores son Se, Te, Bi, Ge, Si y grafito.
La presencia de una impureza en un semiconductor puede introducir una nueva banda en el sistema. Si esta nueva banda está situada dentro de la región prohibida, crea una nueva y más pequeña banda prohibida que aumentará la conductividad. La enorme industria de semiconductores se basa en la capacidad de adaptar la banda prohibida para adaptarse a la aplicación deseada mediante la introducción de un átomo de impurezas apropiado (dopante) en la red de semiconductores. Los elementos dopantes son normalmente átomos cuyas envolturas de cenefa contienen un electrón más o menos que los átomos del cristal huésped.
Los materiales semiconductores han sido tradicionalmente totalmente inorgánicos, compuestos principalmente por los elementos más ligeros del bloque P. Más recientemente, los semiconductores orgánicos se han convertido en un importante campo de estudio y desarrollo.
Propiedades térmicas de los semiconductores
En cero absoluto, todos los portadores de carga residen en la parte inferior de las bandas por debajo del pequeño espacio de banda en un semiconductor (es decir, en la banda de valencia de la ilustración a la izquierda arriba, o en la banda de impurezas de la de la derecha). A temperaturas más altas, la excitación térmica de los electrones permite un salto de fracción creciente a través de esta banda prohibida y poblar la banda de impurezas vacías o la banda de conducción como se muestra a la derecha. El efecto es el mismo en cualquier caso; el semiconductor se vuelve más conductor a medida que aumenta la temperatura. Tenga en cuenta que esto es justo lo contrario a la forma en que la temperatura afecta la conductividad de los metales.
Materiales de tipo N y P
Por ejemplo, un átomo de fósforo introducido como impureza en una red de silicio posee un electrón de valencia más que el Si. Este electrón se deslocaliza dentro de la banda de impurezas y sirve como portador de carga en lo que se conoce como un semiconductor de tipo N. En un semiconductor del tipo P, el dopante podría ser arsénico, que tiene sólo tres electrones de valencia. Esto crea lo que equivale a una deficiencia de electrones u orificio en la tela electrónica del cristal, aunque el sólido permanece eléctricamente neutro en general. Como esta vacante es llenada por los electrones de los átomos de silicio, la vacante salta a otra ubicación, por lo que el portador de carga es efectivamente un agujero cargado positivamente, de ahí la designación de tipo P.
La sustitución de un solo átomo dopante en 10 7 átomos de Si puede aumentar la conductividad en un factor de 100,000.
La unión PN
Cuando los materiales de tipo P y N se ponen en contacto, se crea una unión PN. Los agujeros en el material P y los electrones en el material N se desplazan y se neutralizan entre sí, creando una región de agotamiento que está desprovista de portadores de carga. Pero la destrucción de estos portadores deja iones positivos inmóviles en el material N e iones negativos en el material P, dando lugar a una diferencia de potencial interfacial (” carga espacial “) como se representa aquí.
A medida que esta carga se acumula, actúa para resistir la difusión adicional de electrones y agujeros, dejando una región de agotamiento libre de portadores, que actúa como barrera en la interfaz de unión.