Semiconductor
Antecedentes
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Un semiconductor es un material con conductividad eléctrica debido al flujo de electrones (en oposición a conductividad iónica) intermedio en magnitud entre la de una conductor y un aislador. Esto significa una conductividad más o menos en el rango de 03 al 10 10 -8 siemens por centímetro. Los materiales semiconductores son la base de la electrónica moderna, como la radio, computadoras, teléfonos y muchos otros dispositivos. Tales dispositivos incluyen transistores, células solares, muchos tipos de diodos incluyendo el diodo emisor de luz, el rectificador controlado de silicio, y los circuitos integrados digitales y analógicos. Del mismo modo, los paneles solares fotovoltaicos semiconductores convierten directamente la energía luminosa en energía eléctrica. En un conductor metálico, la corriente es transportada por el flujo de electrones . En los semiconductores, la corriente se esquematiza a menudo como siendo llevado ya sea por el flujo de electrones o por el flujo de carga positiva " agujeros "en la estructura electrónica del material. En realidad, sin embargo, en ambos casos sólo los movimientos de electrones están involucrados.
Materiales semiconductores comunes son sólidos cristalinos, pero semiconductores amorfos y líquidos son conocidos. Éstos incluyen de silicio amorfo hidrogenado y mezclas de arsénico , selenio y telurio en una variedad de proporciones. Tales compuestos comparten con semiconductores más conocidos conductividad intermedia y una rápida variación de la conductividad con la temperatura, así como ocasionales resistencia negativa. Tales materiales desordenados carecen de la estructura cristalina rígida de semiconductores convencionales, tales como silicio y se utilizan generalmente en estructuras de película delgada, que son menos exigentes para que se refiere a la calidad electrónica del material y por lo tanto son relativamente insensibles a las impurezas y daño por radiación. Los semiconductores orgánicos, es decir, materiales orgánicos con propiedades parecidas a los semiconductores convencionales, se conocen también.
El silicio se utiliza para crear la mayoría de los semiconductores comercialmente. Docenas de otros materiales son usados, incluyendo el germanio , arseniuro de galio, y carburo de silicio. Un semiconductor puro es a menudo llamado un semiconductor "intrínseca". Las propiedades electrónicas y la conductividad de un semiconductor se pueden cambiar de una manera controlada mediante la adición de cantidades muy pequeñas de otros elementos, llamados "dopantes", al material intrínseco. En silicio cristalino normalmente esto se logra mediante la adición de impurezas de boro o fósforo a la masa fundida y luego permitiendo que la masa fundida se solidifique en el cristal. Este proceso se llama "dopaje".
Explicando bandas de energía semiconductores
Hay tres formas populares para clasificar la estructura electrónica de un cristal.
- Estructura de bandas
- átomos - cristal - vacío
En un solo H-átomo de un electrón reside en orbitales bien conocidos. Tenga en cuenta que los orbitales son llamados s, p, d, a fin de aumentar la corriente circular.
Poner dos átomos juntos conduce a orbitales deslocalizados a través de dos átomos, produciendo una enlace covalente. Debido a la Principio de exclusión de Pauli, cada estado puede contener un solo electrón.
Esto se puede continuar con más átomos. Nota: Esta imagen muestra un metal, no un semiconductor real.
Continuando añadir crea un cristal, que puede entonces ser cortada en una cinta y fusionan en los extremos para permitir que las corrientes circulares.
Por esta sólida la estructura de bandas regular puede ser calculada o medida.
La integración en los ejes k da las bandas de un semiconductor que muestra una banda de valencia llena y una banda de conducción vacía. Generalmente parando en el nivel de vacío no es deseable, porque algunas personas quieren calcular: fotoemisión, fotoemisión inversa
Después se determina la estructura de bandas estados se pueden combinar para generar paquetes de ondas. Como esto es análogo a agitar paquetes en el espacio libre, los resultados son similares.
Una descripción alternativa, que en realidad no apreciar la fuerte interacción de Coulomb, dispara electrones libres en el cristal y mira a la dispersión.
Un tercio descripción alternativa utiliza electrones no apareados fuertemente localizadas en los enlaces químicos, que se ve casi como un Aislante Mott.
Bandas de energía y la conducción eléctrica
En los semiconductores cristalinos clásicos, los electrones pueden tener energías sólo dentro de ciertas bandas (es decir, los rangos de niveles de energía). Energéticamente, estas bandas están situadas entre la energía del estado fundamental, que corresponde a los electrones fuertemente ligados a los núcleos atómicos del material, y la energía de electrones libres. Esta última es la energía requerida para un electrón para escapar completamente de la material. Las bandas de energía corresponden cada uno a un gran número de discreta estados cuánticos de los electrones, y la mayoría de los estados con bajo consumo de energía (más cerca del núcleo) están llenos, hasta una banda particular llamado la banda de valencia. Semiconductores y aislantes se distinguen de los metales debido a que la banda de valencia en ellos está casi llena de electrones en condiciones de funcionamiento habituales, mientras que muy pocos (semiconductor) o prácticamente ninguno (aislante) de ellos están disponibles en la banda de conducción, la banda inmediatamente por encima de la valencia banda.
La facilidad con la que los electrones en un semiconductor pueden ser excitados desde la banda de valencia a la banda de conducción depende de la banda prohibida entre las bandas. El tamaño de esta banda prohibida de energía sirve como una línea divisoria arbitraria (aproximadamente 4 eV) entre semiconductores y aisladores.
Con enlaces covalentes, un electrón se mueve saltando a un enlace vecina. La Principio de exclusión de Pauli requiere el electrón que se levanten en el estado anti-unión superior de ese vínculo. Para los estados deslocalizados, por ejemplo en una dimensión - que está en una nanocables, por cada energía no es un estado con electrones que fluyen en una dirección y otro estado con los electrones que fluyen en la otra. Para una corriente neta fluya, más estados para una dirección que en la otra dirección debe ser ocupada. Para que esto ocurra, se requiere energía, como en el semiconductor los próximos estados superiores se encuentran por encima de la banda prohibida. A menudo, esto se indica como: bandas completos no contribuyen a la conductividad eléctrica. Sin embargo, como la temperatura de un semiconductor se eleva por encima del cero absoluto , hay más energía en el semiconductor para gastar en la vibración de celosía y - lo más importante para nosotros - en el levantamiento de algunos electrones en un estados de energía de la banda de conducción. Los electrones que conducen corriente en la banda de conducción se conocen como "electrones libres", aunque a menudo se llama simplemente "electrones" si el contexto lo permite el uso para ser claro.
Los electrones excitados a la banda de conducción también dejan atrás huecos de electrones, o estados no ocupados en la banda de valencia. Tanto los electrones de la banda de conducción y los orificios de la banda de valencia contribuyen a la conductividad eléctrica. Los agujeros de sí mismos en realidad no se mueven, pero un electrón vecino pueden moverse para llenar el agujero, dejando un agujero en el lugar que acaba de llegar de, y de esta manera los agujeros parecen moverse, y los agujeros se comportan como si fueran reales partículas con carga positiva.
Uno enlace covalente entre los átomos vecinos en el sólido es diez veces más fuerte que la unión del único electrón al átomo, liberando así el electrón no implica la destrucción de la estructura cristalina.
Ausencia de electrones como un portador de carga: Agujeros
El concepto de agujeros también se pueden aplicar a los metales , donde las Nivel de Fermi se encuentra dentro de la banda de conducción. Con la mayoría de los metales Efecto Hall indica los electrones son los portadores de carga. Sin embargo, algunos metales tienen una banda de conducción sobre todo lleno. En estos, el Efecto Hall revela portadores positivos de carga, que no son los iones núcleos, pero los agujeros. En el caso de un metal, sólo se necesita una pequeña cantidad de energía para los electrones para encontrar otros estados desocupados para entrar, y por lo tanto para que la corriente fluya. A veces, incluso en este caso se puede decir que un agujero se quedó atrás, para explicar por qué el electrón no cae de nuevo a bajas energías: No puede encontrar un agujero. Al final, tanto en materiales de electrones dispersión de defectos y de fonones son las causas predominantes de la resistencia .
La distribución de la energía de los electrones determina cuál de los estados están llenos y que están vacías. Esta distribución se describe por Estadística de Fermi-Dirac. La distribución se caracteriza por la temperatura de los electrones, y el Energía de Fermi o nivel de Fermi. Bajo cero absoluto las condiciones de la energía de Fermi puede ser pensado como la energía hasta que están ocupadas estados electrónicos disponibles. A temperaturas más altas, la energía de Fermi es la energía en la que la probabilidad de un estado siendo ocupado ha caído a 0,5.
La dependencia de la distribución de energía de electrones en la temperatura también explica por qué la conductividad de un semiconductor tiene una fuerte dependencia de la temperatura, como un semiconductor que funciona a temperaturas más bajas tendrá menos electrones libres disponibles y agujeros capaces de hacer el trabajo.
Dispersión de energía-momento
En la descripción precedente un hecho importante es ignorado por el bien de la simplicidad: la dispersión de la energía. La razón de que las energías de los estados se amplían en una banda es que la energía depende del valor de la vector de onda, o k-vector, del electrón. El vector k, en la mecánica cuántica, es la representación del impulso de una partícula.
La relación de dispersión determina el masa efectiva, m *, de electrones o agujeros en el semiconductor, de acuerdo con la fórmula:
![m ^ {*} = \ hbar ^ 2 \ cdot \ left [{{d ^ 2 E (k)} \ over {dk ^ 2}} \ right] ^ {- 1}.](../../images/1080/108012.png)
La masa efectiva es importante ya que afecta a muchas de las propiedades eléctricas de los semiconductores, tales como el electrón o agujero movilidad, que a su vez influye en la difusividad de los portadores de carga y la conductividad eléctrica del semiconductor.
Típicamente, la masa efectiva de los electrones y los agujeros son diferentes. Esto afecta el rendimiento relativo de canal p y de canal n IGFETs.
La parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción podría no ocurrir en ese mismo valor de k. Los materiales con esta situación, tales como el silicio y el germanio , son conocidos como materiales de banda prohibida indirecta. Materiales en el que los extremos de banda están alineados en k, por ejemplo arseniuro de galio, se llaman semiconductores de banda prohibida directa. Semiconductores Gap directos son particularmente importantes en optoelectrónica porque son mucho más eficiente como emisores de luz que los materiales Gap indirectos.
Carrier generación y recombinación
Cuando radiación ionizante golpea un semiconductor, puede excitar un electrón de su nivel de energía y en consecuencia dejar un agujero. Este proceso se conoce como electrón-hueco generación par. Pares electrón-hueco están constantemente generan a partir de energía térmica, así, en ausencia de cualquier fuente de energía externa.
Pares electrón-hueco también tienden a recombinarse. Conservación de la energía exige que estos eventos de recombinación, en los que un electrón pierde una cantidad de energía mayor que la banda prohibida, ir acompañada de la emisión de energía térmica (en forma de fonones) o radiación (en forma de fotones ).
En algunos estados, la generación y la recombinación de pares electrón-hueco están en equilibrio. El número de pares electrón-hueco en el el estado de equilibrio a una temperatura dada se determina por mecánica estadística cuántica. Las precisas mecánica cuántica mecanismos de generación y recombinación se rigen por conservación de la energía y la conservación del momento .
Como la probabilidad de que los electrones y los agujeros se reúnen es proporcional al producto de sus cantidades, el producto está en estado de equilibrio casi constante a una temperatura dada, siempre que no hay campo eléctrico significativa (que podría "flush" portadores de ambos tipos, o moverlos de regiones vecinas que contienen más de ellos para reunirse) o la generación de par impulsado desde el exterior. El producto es una función de la temperatura, ya que la probabilidad de obtener suficiente energía térmica para producir un par aumenta con la temperatura, siendo aproximadamente exp (- E G / kT), donde k es La constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta y E G es banda prohibida.
La probabilidad de la reunión se incrementa en portadores atrapa-impurezas o dislocaciones que pueden atrapar un electrón o un agujero y lo mantienen hasta que se complete un par. Tales trampas de portadores veces se añaden a propósito para reducir el tiempo necesario para alcanzar el estado estacionario.
Semi-aisladores
Algunos materiales se clasifican como semi-aislantes. Estos tienen más cerca de la conductividad eléctrica a la de aislantes eléctricos. Semi-aisladores encuentran aplicaciones de nicho en la microelectrónica, como sustratos para HEMT. Un ejemplo de un semi-aislante común es arseniuro de galio.
Doping
La propiedad de los semiconductores que los hace más útiles para la construcción de dispositivos electrónicos es que su conductividad fácilmente puede ser modificado mediante la introducción de impurezas en su red cristalina. El proceso de añadir impurezas controladas para un semiconductor se conoce como el dopaje. La cantidad de impureza, o dopante, añadido a un intrínseca (puro) semiconductor varía su nivel de conductividad. Semiconductores dopados se denominan a menudo extrínseca. Mediante la adición de la impureza a los semiconductores puros, la conductividad eléctrica se puede variar no sólo por el número de átomos de impurezas, sino también, por el tipo de átomo de impureza y los cambios pueden ser mil millones de pliegues y dobleces. Por ejemplo, 1 cm 3 de un metal o semiconductor espécimen tiene un número de átomos en el orden de 10 22. Dado que cada átomo de metal dona al menos un electrón libre para la conducción en metal, 1 cm 3 de de metal contiene electrones libres en el orden de 10 22. A la temperatura de cerca de 20 ° C, 1 cm 3 de germanio puro contiene alrededor de 4,2 × 10 22 átomos y 2,5 × 10 13 electrones libres y 2,5 × 10 13 agujeros (espacios vacíos en red cristalina que tiene carga positiva) La adición de 0,001% de arsénico (una impureza) dona un extra de 10 17 electrones libres en el mismo volumen y la conductividad eléctrica aumenta aproximadamente 10.000 veces ".
Los dopantes
Los materiales elegidos como dopantes adecuados dependen de las propiedades atómicas de tanto el dopante y el material a ser dopados. En general, los dopantes que producen los cambios controlada deseada se clasifican como de electrones aceptantes o donantes. Un átomo donador que activa (es decir, se incorpora en la red cristalina) dona electrones de valencia unida débilmente al material, creando un exceso negativo los portadores de carga. Estos electrones débilmente unidos pueden moverse en la red cristalina relativamente libremente y pueden facilitar la conducción en presencia de un campo eléctrico. (Los átomos donantes introducen algunos estados bajo, pero muy cerca del borde de la banda de conducción. Los electrones en estos estados pueden ser fácilmente excitable a la banda de conducción, convirtiéndose en electrones libres, a temperatura ambiente.) Por el contrario, un aceptor activado produce un agujero. Semiconductores dopados con impurezas donantes se llaman n-tipo , mientras que los dopados con impurezas aceptoras son conocidos como de tipo p . Los nyp designaciones de tipo indican que cobran actos portadores como el material de portador mayoritario. El portador opuesta se denomina portadores minoritarios, que existe debido a la excitación térmica a una concentración mucho más baja en comparación con el portador mayoritario.
Por ejemplo, el semiconductor puro de silicio tiene cuatro electrones de valencia. En el silicio, los dopantes más comunes son IUPAC grupo 13 (comúnmente conocido como grupo III) y grupo 15 (comúnmente conocido como V de grupo) elementos. Grupo 13 todos los elementos contienen tres electrones de valencia, haciendo que funcionar como aceptores cuando se utiliza para dopar silicio. Grupo 15 elementos tienen cinco electrones de valencia, que les permite actuar como donante. Por lo tanto, un cristal de silicio dopado con boro crea un semiconductor de tipo p mientras que un dopado con fósforo da como resultado un material de tipo n.
Concentración de portadores
La concentración de dopante introducido a un semiconductor intrínseco determina su concentración y afecta indirectamente a muchas de sus propiedades eléctricas. El factor más importante que afecta directamente dopaje es la concentración de portadores del material. En un semiconductor intrínseco bajo equilibrio térmico, la concentración de electrones y huecos es equivalente. Esto es,
Si tenemos un semiconductor no intrínseca en equilibrio térmico la relación se convierte en:
donde n 0 es la concentración de electrones de conducción, p 0 es la concentración de huecos de electrones, y n i es la concentración de portadores intrínsecos del material. Concentración de portadores intrínseca varía entre los materiales y depende de la temperatura. N i de silicio, por ejemplo, es de aproximadamente 1,08 x 10 10 cm -3 a 300 grados Kelvin (temperatura ambiente).
En general, un aumento en la concentración de dopaje proporciona un aumento de la conductividad debido a la mayor concentración de portadores disponibles para la conducción. Degeneradamente semiconductores (muy altamente) dopadas tienen niveles de conductividad comparables a los metales y se utilizan a menudo en los modernos circuitos integrados como un reemplazo para el metal. A menudo superíndice más y menos símbolos se utilizan para indicar la concentración de dopaje relativo en semiconductores. Por ejemplo, n + denota un semiconductor de tipo n con un alto, a menudo degeneran, la concentración de dopaje. Del mismo modo, p - indicaría un material de tipo p muy ligeramente dopado. Es útil señalar que incluso niveles degenerados de dopaje implican bajas concentraciones de impurezas con respecto al semiconductor base. En el silicio cristalino intrínseca, hay aproximadamente 5 × 10 22 átomos / cm³. Concentración de dopaje de semiconductores de silicio puede variar desde 10 13 cm -3 a 10 18 cm -3. El dopaje concentración por encima de alrededor de 10 18 cm -3 se considera degenerada a temperatura ambiente. Degeneradamente dopado de silicio contiene una proporción de la impureza a silicio del orden de partes por mil. Esta proporción puede reducirse a partes por mil millones en silicio muy ligeramente dopado. Valores de concentración típicas caen en algún lugar en este rango y se adaptan para producir las propiedades deseadas en el dispositivo que el semiconductor se destina.
Efecto sobre la estructura de la banda
Doping un cristal semiconductor introduce permitió estados de energía dentro de la banda prohibida, pero muy cerca de la banda de energía que se corresponde con el tipo de dopante. En otras palabras, las impurezas donantes crean estados cerca de la banda de conducción, mientras que los aceptores de crear estados cerca de la banda de valencia. La brecha entre estos estados de energía y la banda de energía más cercana se refiere generalmente como dopante sitio energía de enlace o E B y es relativamente pequeña. Por ejemplo, el E B de boro en silicio es mayor 0.045 eV, en comparación con el intervalo de banda de silicio de aproximadamente 1,12 eV. Debido E B es tan pequeño, que se necesita poca energía para ionizar los átomos dopantes y crear portadores libres en las bandas de conducción o de valencia. Por lo general, la energía térmica disponible a temperatura ambiente es suficiente para ionizar la mayor parte del dopante.
Los dopantes también tienen el efecto importante de cambio de nivel de Fermi del material hacia la banda de energía que se corresponde con el dopante con la mayor concentración. Dado que el nivel de Fermi debe permanecer constante en un sistema en equilibrio termodinámico, apilar capas de materiales con diferentes propiedades conduce a muchas propiedades eléctricas útiles. Por ejemplo, el propiedades de unión pn son debido a la flexión de banda de energía que ocurre como resultado de alineando los niveles de Fermi en contacto con las regiones de tipo p y tipo n material.
Este efecto se muestra en una diagrama de bandas. El diagrama de bandas indica típicamente la variación en los bordes de la banda de valencia y la banda de conducción frente a alguna dimensión espacial, a menudo denotado x. La energía de Fermi también suele estar indicada en el diagrama. A veces la energía de Fermi intrínseco, E i, que es el nivel de Fermi en ausencia de dopaje, se muestra. Estos diagramas son útiles para explicar el funcionamiento de muchos tipos de dispositivos semiconductores .
Preparación de materiales semiconductores
Semiconductores con propiedades electrónicas predecibles y confiables son necesarios para producción en masa. El nivel de pureza química necesaria es extremadamente alta debido a la presencia de impurezas, incluso en proporciones muy pequeñas puede tener grandes efectos sobre las propiedades del material. También se requiere un alto grado de perfección cristalina, ya que los fallos en la estructura cristalina (tales como dislocaciones, gemelos, y fallas de apilamiento) interferir con las propiedades semiconductoras del material. Defectos cristalinos son una causa importante de dispositivos semiconductores defectuosos. Cuanto mayor sea el cristal, más difícil es conseguir la perfección necesario. Procesos de producción en masa actuales utilizan cristal lingotes de entre 100 mm y 300 mm (4.12 pulgadas) de diámetro que se cultivan como cilindros y rebanado en obleas.
Debido al nivel requerido de pureza química y la perfección de la estructura cristalina que son necesarias para hacer que los dispositivos semiconductores, métodos especiales se han desarrollado para producir el material inicial semiconductor. Una técnica para lograr una alta pureza incluye el crecimiento del cristal con el Proceso Czochralski. Un paso adicional que puede ser utilizada para aumentar aún más la pureza se conoce como refinación zona. En refinación zona, parte de un cristal sólido se funde. Las impurezas tienden a concentrarse en la región fundida, mientras que el material deseado recrystalizes dejando el material sólido más pura y con menos defectos cristalinos.
En la fabricación de dispositivos semiconductores que implican heterouniones entre diferentes materiales semiconductores, la constante de red, que es la longitud del elemento de repetición de la estructura cristalina, es importante para determinar la compatibilidad de los materiales.
