Semiconductor

Un semiconductor és un element que es comporta o be com un conductor o be com un aïllant depenent de diversos factors, per eixemple: el camp elèctric o magnètic, la pressió, la radiació que li incidix, o la temperatura de l'ambient en el que es trobe. Els elements químics semiconductors de la taula periòdica s'indiquen en la taula adjunta.

Erro al crear miniatura:

Silici purificat, un semiconductor

Element	Grup	Electrons de l'última capa
Cd	12	2
Al, Ga, B, In	13	3
Si, C, Ge	14	4
P, As, Sb	15	5
Es, Et, (S)	16	6

L'element semiconductor més usat és el silici, seguit del germani, encara que presenten un idèntic comportament les combinacions d'elements dels grups 12 i 13 en els d'els grups 16 i 15 respectivament (gali-arsènic, fòsfor-indi, arsènic-gali-alumini, telur-cadmi, seleni-cadmi i sofre-cadmi). Posteriorment s'ha començat a amprar també el sofre. La característica comuna a tots ells és que són tetravalents, tenint el silici una configuració electrònica s²p². Els dispositius semiconductors poden presentar una série de propietats útils, com passar la corrent més fàcilment en una direcció que en una atra, mostrar una resistència variable i ser sensibles a la llum o a la calor. Ya que les propietats elèctriques d'un material semiconductor poden modificar-se per mig del dopage o l'aplicació de camps elèctrics o llum, els dispositius fabricats en semiconductors poden utilisar-se per a l'amplificament, la conmutación i la conversió d'energia. La conductivitat del silici s'aumenta afegint una chicoteta cantitat (de l'orde d'1 a 10⁸) d'àtoms pentavalentes (antimoni, fòsfor o arsènic) o trivalentes (bor, gali, indi). Este procés es coneix com a dopage i els semiconductors resultants es coneixen com a semiconductors dopats o extrínsecos. Aparte del dopage, la conductivitat d'un semiconductor pot millorar-se aumentant la seua temperatura. Açò és contrari al comportament d'un metal en el que la conductivitat disminuïx en l'aument de la temperatura. La comprensió moderna de les propietats d'un semiconductor es basa en la física quàntica per a explicar el moviment dels portadors de càrrega en una ret cristalina. El dopage aumenta en gran medida el número de portadors de càrrega dins del cristal. Quan un semiconductor dopat conté buits lliures es denomina tipo p, i quan conté electrons lliures es coneix com a tipo n. Els materials semiconductors utilisats en els dispositius electrònics es dopen en condicions precises per a controlar la concentració i les regions dels dopantes de tipo p i n. Un sol cristal de dispositiu semiconductor pot tindre moltes regions de tipo p i n; les unions p-n entre estes regions són les responsables del comportament electrònic útil. Utilisant una sonda de punt calent, es pot determinar ràpidament si una mostra de semiconductor és de tipo p o n.

Algunes de les propietats dels materials semiconductors es varen observar a mitan d'el XIX i en les primeres décades d'el XX. La primera aplicació pràctica dels semiconductors en electrònica va ser el desenroll en 1904 del detector de bigots de gat, un primitiu diodo semiconductor utilisat en els primers receptors de ràdio. Els alvanços de la física quàntica varen conduir a la seua volta a l'invenció del transistor en 1947, el circuit integrat en 1958 i el MOSFET (transistor d'efecte de camp de metal-òxit-semiconductor) en 1959.

Informació general

1. Els materials semiconductors provenen de diferents grups de la taula periòdica, no obstant, compartixen certes similituts.
2. Les propietats del material semiconductor estan relacionats en les seues característiques atòmiques, i canvien d'un grup a un atre.
3. Els investigadors i els dissenyadors s'aprofiten d'estes diferències per a millorar el disseny i elegir el material òptim per a una aplicació PV.

Història dels semiconductors

Els semiconductors varen reemplaçar als tradicionals tubos elèctrics en l'indústria des de mediats d'el XX, gràcies a quina estos presentaven moltes millores, tals com la minimisació de tamany, consum d'energia i cost, aixina com la maximización de la durabilitat i confiabilidad; lo que va significar una revolució en el sector de l'electrònica i l'informàtica. En 1782 el terme semiconductor va ser utilisat per primera volta per Alessandro Volta, i la primera observació documentada sobre l'efecte produït pels semiconductors va ser la de Michael Faraday en l'any de 1833, qui va notar que el sulfur d'argent disminuïa la seua resistència si la temperatura baixava, a diferència de lo que s'havia observat en els metals. Sobre açò es va publicar un extens anàlisis en 1851, en a on es parlava de la dependència de la conductivitat elèctrica del sulfur d'argent i el sulfur de coure(I).

En 1878 Edwin Herbert Hall va descobrir que els portadors de càrrega elèctrica en sòlits són desviats del camp magnètic, este fenomen va ser conegut en el nom d'efecte Hall, i va ser utilisat posteriorment per a estudiar les propietats dels semiconductors. Uns anys despuix del descobriment d'Hall, en 1905, un atre físic, John Ambrose Fleming es va sumergir en la busca d'un detector de senyals elèctriques i va desenrollar el diodo de buit, lo que es coneix hui en dia com el primer dispositiu electrònic. Poc temps despuix, més específicament en 1907 Lee de Forest va inventar el triodo, un dispositiu que no solament detectava senyals elèctriques, sino que també era capaç d'amplificar senyals tan sol afegint un tercer electrodo a la vàlvula. Cap a 1915 aproximadament es comença a usar el cristal de galena com a detector de senyals, i a principis dels anys 20 s'escomencen a utilisar els rectificadores de seleni i d'òxit de coure i a la seua volta, les vàlvules de radi substituïxen el detector de cristal. Entre 1920 i 1940, per un costat es desenrolla el tetrodo i el pentodo, i els físics elaboren teories que expliquen alguns dels fenomens descoberts fins a llavors. En 1923 el físic alemà Walter H. Schottky publica la teoria dels rectificadores secs, esta és la primera contribució a l'estudi teòric dels semiconductors. En esta teoria s'aprecia que l'us de la mecànica quàntica resulta indispensable. En 1928 Vladimir Zworykin desenrolla un dispositiu capaç de transformar una image òptica en una corrent elèctrica: l'iconoscopio. Poc despuix este tubo sofrix modificacions i aixina s'obté el tubo disector d'image, en el qual'image es conseguix a pur de presentar-la llínea a llínea en lloc de punt a punt. En 1945 la televisió s'escomença a comerciar en Norteamérica. L'indústria electrònica es desenrolla vertiginosamente i sorgixen tècniques de miniaturisació i ocupació de materials robusts i llaugers en els dispositius electrònics.

En 1947 John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley, varen elaborar el primer transistor, el qual estava constituït de germani en alguns contactes elèctrics sobreposts, el qual va millorar el funcionament de la vàlvula termoiònica usada com a instrument de control, amplificament i generació de senyals electròniques, gràcies a estos aportes varen ser acreedors al Premi Nobel en l'any 1956.

Propietats

Conductivitat elèctrica variable

Els semiconductors en el seu estat natural són mals conductors perque una corrent requerix el fluix d'electrons, i els semiconductors tenen les seues bandes de valència plenes, impedint tot el fluix de nous electrons. Vàries tècniques desenrollades permeten que els materials semiconductors es comporten com a materials conductors, com el dopage o el gating. Estes modificacions tenen dos resultats: tipo n i tipo p. Es referixen a l'excés o a l'escassea d'electrons, respectivament. Un número desequilibrat d'electrons provocaria el pas d'una corrent a través del material.

Heterouniones

Les heterouniones es produïxen quan s'unixen dos materials semiconductors en dopage diferent. Per eixemple, una configuració podria consistir en germani dopat en p i dopat en n. Açò dona lloc a un intercanvi d'electrons i buits entre els materials semiconductors en diferents dopages. El germani dopat en n tindria un excés d'electrons i el germani dopat en p tindria un excés de buits. La transferència es produïx fins que s'alcança un equilibri per mig d'un procés cridat recombinació, que fa que els electrons que migran del tipo n entren en contacte en els buits que migran del tipo p. El resultat d'este procés és una estreta franja d'ions immòvils, que provoca un camp elèctric a través de l'unió.

Electrons excitats

Una diferència de potencial elèctric en un material semiconductor fa que este abandone l'equilibri tèrmic i creu una situació de no equilibri. Açò introduïx electrons i buits en el sistema, que interactuen per mig d'un procés cridat difusió ambipolar. Sempre que s'altera l'equilibri tèrmic en un material semiconductor, canvia el número de buits i electrons. Estes alteracions poden produir-se com a resultat d'una diferència de temperatura o de fotons, que poden entrar en el sistema i crear electrons i buits. El procés de creació i aniquilació d'electrons i buits es denomina generació i recombinació, respectivament.

Emissió de llum

En certs semiconductors, els electrons excitats poden relaixar-se emetent llum en lloc de produir calor. Estos semiconductors s'utilisen en la construcció de diodos emissors de llum i punts quàntics fluorescents.

Alta conductivitat tèrmica

Els semiconductors en alta conductivitat tèrmica poden utilisar-se per a dissipar la calor i millorar la gestió tèrmica de l'electrònica.

Conversió d'energia tèrmica

Els semiconductors tenen grans factors de potència termoelèctrica que els fan útils en els generadors termoelèctrics, aixina com altes figures de mèrit termoelèctriques que els fan útils en els refrigeradores termoelèctrics.

Física dels semiconductors

Bandes d'energia i conducció elèctrica

Vore també: Teoria de bandes, Conductivitat elèctrica, i Resistividad

Les diferències entre els distints materials poden entendre's en térmens dels estats quàntics dels electrons, cada u dels quals pot contindre zero o un electró, pel principi d'exclusió de Pauli. Estos estats estan associats a l'estructura de banda electrònica del material. la conductivitat elèctrica sorgix per la presència d'electrons en estats deslocalizados que s'estenen pel material, no obstant, per a transportar electrons un estat deu estar parcialment ple, contenint un electró solament una part del temps. Si l'estat està sempre ocupat en un electró, llavors és inerte, bloquejant el pas d'atres electrons a través d'eixe estat. Les energies d'estos estats quàntics són crítiques, ya que un estat està parcialment ocupat solament si la seua energia està prop del nivell de Fermi. L'alta conductivitat d'un material es deu a que té molts estats parcialment plens i molta deslocalisació d'estats. Els metals són bons conductors elèctrics i tenen molts estats parcialment plens en energies propenques al seu nivell de Fermi. Els aïllants, pel contrari, tenen pocs estats parcialment plens, els seus nivells de Fermi se situen dins de buits de banda en pocs estats d'energia que ocupar.

Per als semiconductors són interessants les energies dels electrons de valència (els més exteriors i més afectats per la proximitat d'atres àtoms quan formen un sòlit), pero no en el cas d'un àtom aïllat, sino quan estos àtoms formen un sòlit. El càlcul d'estes energies aixina com el desglossament dels nivells energètics dels àtoms aïllats en bandes d'energia quan estos àtoms formen un sòlit, és competència de la Mecànica Quàntica.

En el cas d'un semiconductor intrínsec, a temperatures molt baixes (quan tots els electrons de valència es troben lligats als seus enllaços covalente corresponents), els electrons de valència es troben en una banda coneguda com a banda de valència que es troba totalment ocupada. La banda superior d'estats permesos es coneix en el nom de banda de conducció” que, en este cas, està totalment buida ya que, de moment, no disponem de portadors lliures que poden moure's pel cristal. Entre abdós, existix una banda d'estats no permesos denominada banda prohibida o gap d'energies. En este cas només disponem del moviment d'electrons lligats

entre enllaços covalente, pero els electrons es van a moure en qualsevol sentit per lo que el moviment net és nul. És dir, en una banda totalment ocupada és impossible obtindre un moviment resultant. D'ahí que a dites temperatures els semiconductors es comporten com a aïllants. Si aumentem la temperatura, aumenta el moviment aleatori d'agitació tèrmica podent-se trencar alguns enllaços covalente i es creen parells (electró, buit).

El model de bandes d'energia es pot aplicar a tots els materials. La diferència entre un metal, aïllant o semiconductor radica en el número de portadors lliures dels que es pot dispondre a una mateixa temperatura:

• En els aïllants la banda prohibida és molt gran, d'ahí que a temperatura d'ambient es disponga de molt pocs portadors lliures, per lo que són mals conductors.

• En els metals, en bandes prohibides molt estretes o inexistents (les bandes de valència i de conducció poden inclús superpondre's), pràcticament sempre disponem de portadors lliures formant un núvol electrònic que es pot moure lliurement a través de tot el cristal. El número d'electrons que es mouen en un sentit és estadísticament igual als que ho fan en sentit contrari. Per tant, no hi haurà un moviment net de càrrega i per lo tant no hi haurà corrent elèctrica.
• En els semiconductors passa alguna cosa intermig. A temperatura ambiente és possible dispondre d'una cantitat moderada de portadors lliures perque el seu gap energètic no és excessiu. Per als semiconductors n cal considerar que un àtom d'impurea donadora posseïx un quint electró lligat a ell que no es troba en cap enllaç covalente pero que tampoc té llibertat per a deambular lliurement pel cristal. És dir, este quint electró posseïx una energia que no pertany ni a la banda de valència ni a la banda de conducció del semiconductor pur. Està en nivell d'energia molt prop de la banda de conducció. No obstant, si suministrem una chicoteta cantitat d'energia és capaç de convertir-se en un portador lliure. En els semiconductors p passa un poc similar. L'estat energètic de l'electró de l'enllaç covalente no complet se situarà molt pròxim a la banda de valència de manera que a res que s'aporte energia puguen passar en facilitat electró de la banda de valència.

Alguns materials semiconductors de banda ampla es denominen a voltes semiinsuladores. Quan no estan dopats, tenen una conductivitat elèctrica més propenca a la dels aïllants elèctrics, pero poden dopar-se, lo que els fa tan útils com els semiconductors. Els semiinsuladores tenen aplicacions especialisades en microelectrónica, com els substrats per a HEMT. Un eixemple de semiinsulador comú és l'arseniuro de gali. Alguns materials, com el diòxit de titani, poden inclús utilisar-se com a materials aïllants per a algunes aplicacions, mentres es tracten com a semiconductors de brecha ampla per a unes atres. Si apliquem un camp elèctric exterior a un metal apareixerà una corrent de desplaçament. Un aument de la temperatura provocarà un aument del número de chocs que en el seu moviment tenen els electrons, açò es traduirà en una disminució de la velocitat neta dels mateixos, en lo que l'intensitat de corrent disminuirà. Si apliquem un camp elèctric en un semiconductor, succeïx un poc similar. Els electrons lliures es mouran com a resposta a l'acció del camp aplicat. No obstant, en un semiconductor i, a diferència dels metals, tenim un atre tipo de portadors que són els buits , de manera que quan apliquem un camp elèctric tindrem un moviment d'electrons en contra direcció al camp i un moviment de buits en la mateixa direcció del camp. És dir, la corrent d'arrastre tindrà dos components, una deguda al moviment dels electrons i una atra deguda al moviment dels buits. A este procés se li crida conducció per arrastre.

Per una atra part, si tenim un semiconductor dopat de forma no uniforme (la qual cosa és molt habitual) tindrem una conducció per difusió. La corrent de difusió és la corrent de portadors que apareix en un semiconductor quan existix una variació espacial de la concentració d'estos portadors. Els portadors, en estos casos, tendixen a moure's en un sentit determinat sempre des de les zones de més concentració cap a les de baixa concentració en la finalitat d'homogeneizar la seua concentració. Es diu que els portadors es difonen. En un semiconductor la corrent total serà la suma de les corrents degudes al moviment dels dos tipos de portadors presents (buits i electrons). I estes corrents podran ser d'arrastre (degudes a l'aplicació d'un camp elèctric) i de difusió (degudes a un gradient d'impurees). Si en un semiconductor aumentem la temperatura, s'aumenta la generació de parells (electró,buit) per l'agitació tèrmica. Per tant, si aumenta el número de portadors, també aumentarà la corrent.

Portadors de càrrega (electrons i buits)

L'omplit parcial dels estats en la part inferior de la banda de conducció pot entendre's com l'adició d'electrons a dita banda. Els electrons no permaneixen indefinidament per la recombinació tèrmica natural, pero poden desplaçar-se durant algun temps. La concentració real d'electrons sol ser molt diluïda, per lo que, a diferència dels metals, és possible pensar en els electrons de la banda de conducció d'un semiconductor com una espècie de gas ideal clàssic, en el que els electrons volen lliurement sense estar subjectes al principi d'exclusió de Pauli. En la majoria dels semiconductors, les bandes de conducció tenen una relació de dispersió parabòlica, per lo que estos electrons responen a les forces (camp elèctric, camp magnètic, etc.) de forma molt semblada a com ho farien en el buit, encara que en una massa efectiva diferent. Ya que els electrons es comporten com un gas ideal, també es pot pensar en la conducció en térmens molt simplistas, com el model de Drude, i introduir conceptes com la movilitat dels electrons. Per a l'omplit parcial en la part superior de la banda de valència, és útil introduir el concepte de forat electrònic. Encara que els electrons de la banda de valència estan sempre en moviment, una banda de valència completament plena és inerte, no conduïx cap corrent. Si es trau un electró de la banda de valència, la trayectòria que normalment hauria seguit l'electró pert ara la seua càrrega. Per als fins de la corrent elèctrica, esta combinació de la banda de valència completa, menys l'electró, pot convertir-se en una image d'una banda completament buida que conté una partícula carregada positivament que es mou de la mateixa manera que l'electró. Combinat en la massa efectiva negativa dels electrons en la part superior de la banda de valència, apleguem a una image d'una partícula carregada positivament que respon als camps elèctrics i magnètics igual que ho faria una partícula normal carregada positivament en el buit, de nou en alguna massa efectiva positiva. Esta partícula es diu forat, i la colecció de forats en la banda de valència pot entendre's de nou en térmens clàssics simples (com en els electrons en la banda de conducció).

Generació de portadors i recombinació

Quan la radiació ionizante incidix en un semiconductor, pot excitar un electró fòra del seu nivell d'energia i, en conseqüència, deixar un buit. Este procés es coneix com a generació de parells electró-buit. Els pares electró-buit també es generen constantment a partir de l'energia tèrmica, en absència de qualsevol font d'energia externa. Els pares electró-buit també són aptes per a recombinarse. la conservació de l'energia exigix que estos events de recombinació, en els que un electró pert una cantitat d'energia major que la brecha de banda, vagen acompanyats de l'emissió d'energia tèrmica o de radiació, en abdós casos en forma de fotons). En alguns estats, la generació i recombinació de parells electró-buit estan en equilibri. El número de parells electró-buit en l'estat estacionario a una temperatura donada està determinat per la mecànica estadística quàntica. Els mecanismes mecànics quàntics precisos de generació i recombinació es rigen per la conservació de l'energia i la conservació del moment. Ya que la provabilitat de que els electrons i els buits es reunixquen és proporcional al producte dels seus números, el producte és en l'estat estacionario casi constant a una temperatura determinada, sempre que no hi haja un camp elèctric significatiu, que podria "tirar" portadors d'abdós tipos, o moure'ls des de regions veïnes que continguen més d'ells per a que es reunixquen, o una generació de parells impulsada externament. El producte és una funció de la temperatura, ya que la provabilitat d'obtindre suficient energia tèrmica per a produir un parell aumenta en la temperatura, sent aproximadament exp(−I_G/kT), a on k és la constant de Boltzmann, T és la temperatura absoluta i I_G és la banda prohibida. La provabilitat de trobada es veu incrementada per les trampes de portadors, impurees o recalcada que poden atrapar un electró o un forat i retindre-ho fins que es complete el parell. Estes trampes de portadors s'afigen a voltes a propòsit per a reduir el temps necessari per a alcançar l'estat estacionario.

Dopage

Artícul principal → Dopage (semiconductors).

La conductivitat dels semiconductors pot modificar-se fàcilment introduint impurees en la seua ret cristalina. El procés d'afegir impurees controlades a un semiconductor es coneix com a dopage. La cantitat d'impurea, o dopante, afegida a un intrínsec (pur) varia el seu nivell de conductivitat. Els semiconductors dopats es denominen extrínseco. Afegint impurees als semiconductors purs, la conductivitat elèctrica pot variar en factors de mills o millons.

Una mostra de 1 cm³ d'un metal o semiconductor té l'orde de 10²² àtoms. En un metal, cada àtom dona a lo manco un electró lliure per a la conducció, per lo que 1 cm³ de metal conté de l'orde de 10²² electrons lliures, mentres que una mostra de 1 cm³ de germani pur a 20 °C conté uns 4,2 < i < 22 àtoms, pero solament per a 2,5 < i < 13 electrons lliures i 2,5 < i < 13 buits. L'adició de 0,001 % d'arsènic (una impurea) dona un extra de 10¹⁷ electrons lliures en el mateix volum i la conductivitat elèctrica s'incrementa en un factor de 10 000.

Els materials elegits com dopantes adequats depenen de les propietats atòmiques tant del dopante com del material a dopar. En general, els dopantes que produïxen els canvis controlats desijats es classifiquen com aceptantes o donants. Els semiconductors dopats en impurees donants es denominen tipo n, mentres que els dopats en impurees aceptantes es coneixen com a tipo p. Les designació de tipo n i p indiquen qué portador de càrrega actua com portador majoritari del material. El portador opost es denomina portador minoritari, que existix per l'excitació tèrmica en una concentració molt menor en comparació al portador majoritari.

Per eixemple, el semiconductor pur silici té quatre electrons de valència que enllacen cada àtom de silici en els seus veïns. En el silici, els dopantes més comuns són elements del grup III i del grup V. Tots els elements del grup III contenen tres electrons de valència, per lo que funcionen com aceptores quan s'utilisen per a dopar el silici. Quan un àtom acceptor substituïx a un àtom de silici en el cristal, es crea un estat vacant (un "forat" d'electrons), que pot moure's per la ret i funcionar com a portador de càrrega. Els elements del grup V tenen cinc electrons de valència, lo que els permet actuar com a donants; la substitució d'estos àtoms per silici crea un electró lliure adicional. Per lo tant, un cristal de silici dopat en bor crea un semiconductor de tipo p, mentres que un dopat en fòsfor dona lloc a un material de tipo n.

Durant la fabricació, els dopantes poden difondre's en el cos del semiconductor per contacte en composts gaseosos de l'element desijat, o be pot utilisar-se l'implantació d'ions per a posicionar en precisió les regions dopades.

Semiconductors amorfos

Alguns materials, quan es gelen ràpidament a un estat amorfo vítreo, tenen propietats semiconductoras. Entre ells es troben el bor, silici, germani, seleni i teluro, i existixen múltiples teories per a explicar-els.

Tipos de semiconductors

Erro al crear miniatura:

Semiconductor intrínsec

En 1727 Stephen Gray va descobrir la diferència entre conductors i aïllants. Despuix, el 1821, Georg Simon Ohm publica les lleis que duen el seu nom i que descriuen la proporcionalitat entre la corrent i el voltage a un conductor i també és possible determinar la conductivitat elèctrica de qualsevol objecte.

Semiconductors intrínsecs

En els cristals de silici o germani pur (sense defectes ni elements estranys) es forma estructura, tetraèdrica similar a la del carbono per mig d'enllaços covalente entre els seus àtoms degut a que tant el Si com el Ge posseïxen quatre electrons de valència. En la figura es representa en el pla per simplicitat. A una temperatura molt baixa el material és aïllant, açò és, quan tots els electrons de valència permaneixen lligats en els enllaços covalente no disponent-se, per lo tant, de càrregues lliures que puguen moure's pel cristal baix la presència d'un camp elèctric extern aplicat.No obstant, a temperatures superiors la vibració tèrmica dels àtoms de la ret cristalina dona lloc a sacsades en les que es trenquen alguns enllaços covalente disponent-se, en tal cas, de càrregues lliures que poden moure's per tot el cristal.

Per tant, quan el cristal es troba a temperatura ambiente alguns electrons poden absorbir l'energia necessària per a botar a la banda de conducció deixant el corresponent buit en la banda de valència. Les energies requerides a temperatura ambiente són d'1,12 eV per al silici i 0,67 eV per al germani. El procés invers també es produïx, de modo que els electrons en les proximitats d'un buit es vorà atret i caurà en ell (passant de l'estat energètic corresponent en la banda de conducció a un buit en la banda de valència) aniquilant-se abdós de manera que ya no contribuïxquen a la conducció de corrent, lliberant aixina energia. Este fenomen es coneix com a recombinació. Els processos de generació tèrmica de parells (electró,buit) i de recombinació dels mateixos coexistixen. En la situació d'equilibri termodinàmic el número de generacions és igual al de recombinació, de modo que la concentració global d'electrons i buits permaneix constant.

Per lo tant, en un semiconductor intrínsec els electrons de conducció i els buits es troben sempre en igual número, ya que en trencar un enllaç covalente es crea un electró de conducció i un buit que poden moure's en independència un d'un atre. Per tant, siga "n" la concentració d'electrons (número de càrregues negatives/unitat de volum) i "p" la concentració de buits (número de càrregues positives/unitat de volum), es complix llavors que:

n_i = n = p

a on ni és la concentració intrínseca del semiconductor, funció exclusiva de la temperatura i de l'element en qüestió. Els electrons i els buits reben el nom de portadors. La densitat o concentració intrínseca de portadors és molt baixa.

Eixemples de valors de n_i a temperatura ambiente (27 °C):

n_i(Si) = 1,5 × 10¹⁰ cm⁻³

n_i(Ge) = 2,4 × 10¹⁰ cm⁻³

En els semiconductors, abdós tipos de portadors contribuïxen al pas de la corrent elèctrica. Si se somet el cristal a una diferència de potencial es produïxen dos corrents elèctriques. Per un costat la deguda al moviment dels electrons lliures de la banda de conducció, i per un atre, la deguda al desplaçament dels electrons en la banda de valència, que tendiran a botar als buits pròxims, originant una corrent de buits en 4 capes ideals i en la direcció contrària al camp elèctric la velocitat del qual i magnitut és molt inferior a la de la banda de conducció.

Semiconductors extrínsecos

ya que els semiconductors intrínsecs presenten el mateix número d'electrons de conducció que de buits, no són lo suficientment flexibles per a la major part de les aplicacions pràctiques dels semiconductors. Per a aumentar el número de portadors el procediment més comú consistix en introduir, de forma controlada, una certa cantitat d'àtoms d'impurees obtenint-se lo que es denomina semiconductor

• extrínseco o semiconductor dopat. En ells, la conducció de corrent elèctrica té lloc preferentment per un dels dos tipos de portadors.

Per eixemple, si a un semiconductor intrínsec de Si o Ge (valència 4), se li afig un chicotet percentage elements (impurees) trivalentes o pentavalentes, en el semiconductor extrínseco obtingut les impurees formaran part de l'estructura cristalina substituint al corresponent àtom de Si o de Ge.

Quan l'àtom donador o aceptador, cedix o admet electrons respectivament queda carregat positiva / negativament. No obstant, l'ió corresponent té la seua estructura d'enllaços completa. És una càrrega fixa que no pot contribuir a la conducció de corrent elèctrica.

Per una atra part, el cristal és eléctricamente neutre, és dir, deu haver el mateix número de càrregues positives i negatives

$N_{aceptadores}^{-}+n=N_{donadores}^{+}+p$ (equació de neutralitat de càrrega).

Semiconductor tipo N

Erro al crear miniatura:

Estructura de bandes d'un semiconductor de tipo N. Els círculs negres representen els electrons en la banda de conducció (taronja), mentres que els blancs serien els buits en la banda de valència (blava). L'image mostra que els electrons són els portadors de càrrega majoritaris.

Un semiconductor tipo N s'obté portant a terme un procés de dopat afegint un cert tipo d'àtoms al semiconductor que aumenten el número de portadors de càrrega lliures (en este cas negatius o electrons).

Per eixemple, si a un cristal de Si (valència atòmica de quatre) li afegim impurea donant en àtoms de 5 electrons de valència (com el fòsfor, arsènic o antimoni), dit àtom encaixarà sense majors dificultats en la ret cristalina del Si. Quatre dels seus 5 electrons de valència completaran l'estructura d'enllaços, quedant el quint electró débilmente lligat a l'àtom. Per tant, este electró es llibera en facilitat i pot llavors moure's per la ret cristalina, per lo que constituïx un portador. El número d'electrons en el material superarà àmpliament el número de buits, i per tant, els electrons seran els portadors majoritaris (encara que no exclusius) i els buits són els portadors minoritaris. A causa de que els àtoms en cinc electrons de valència tenen un electró extra que "donar", són cridats àtoms donadores. Note's que cada electró lliure en el semiconductor mai està llunt d'un ion dopante positiu immòvil, i el material dopat tipo N generalment té una càrrega elèctrica neta final de zero. A estos elements que tenen la propietat de cedir electrons lliures sense crear buits al mateix temps, se'ls denomina impurea o material donant o donadora' i fan al semiconductor de tipo n perque a dita temperatura tenim molts més electrons que buits.

Si un semiconductor intrínsec es dopa en impurees tipo n, no solament aumenta el número d'electrons, sino que ademés, el número de buits disminuïx per baix del que tenia el semiconductor intrínsec, ya que el gran número d'i- presents aumenta la velocitat de recombinació dels electrons i els buits. En efecte, per la llei d'acció de masses, de caràcter general que es complix tant en semiconductors intrínsecs com extrínsecos, es té que:

$pn=n_i^2$

Semiconductor tipo P

Erro al crear miniatura:

Estructura de bandes d'un semiconductor de tipo P. Els círculs negres representen els electrons en la banda de conducció (taronja), mentres que els blancs serien els buits en la banda de valència (blava). L'image mostra que els buits són els portadors de càrrega majoritaris.

Un semiconductor tipo P s'obté portant a terme un procés de dopat, afegint cert tipo d'àtoms al semiconductor que aumentar el número de portadors positius de càrrega lliures (buit d'electró).

El propòsit del dopage tipo P és el de crear abundància de buits. En el cas del silici, un àtom tetravalent se li afig un àtom en tres electrons de valència (per eixemple alumini, gali, bor o indi), de manera que eixos àtoms s'incorporen a la ret cristalina en elloc d'un àtom de silici, llavors eixe àtom tindrà tres enllaços covalente i un buit produït que es trobarà en condició d'acceptar un electró lliure. El número de buits en el material superarà àmpliament el número d'electrons, i per tant, els buits seran els portadors majoritaris (encara que no exclusius) i els electrons són els portadors minoritaris.

Este agent dopante és també conegut com a material acceptor', impurea aceptadora o simplement aceptador.

Els diamants blaves (tipo IIb), que contenen impurees de bor, són un eixemple d'un semiconductor tipo P que es produïx de manera natural.

Unió PN

L'unió PN consistix en tindre un material semiconductor en una zona tipo p junt a una zona tipo n. Suponem que totes les impurees estan totalment ionisades i que els portadors que tenim en cada una de les zones provenen de les pròpies impurees (no considerem pares electró-buit per agitació tèrmica). Per tant, en la zona n cada àtom produirà un electró lliure, quedant, per tant, l'àtom carregat positivament. Análogamente en la zona p cada àtom d'impurea aceptadora deixarà un enllaç sense completar, en lo que tendixen a captar un electró per a satisfer dit enllaç i, per tant, tendirà a cedir un buit. El cristal seguix sent eléctricamente neutre. Com en la zona p existixen gran cantitat de buits s'establirà una corrent difusió de buits de la zona p cap a la zona n. Análogamente, en la zona n tindrem gran cantitat d'i- i açò originarà una corrent de difusió d'electrons de la zona n cap a la zona p. Estes corrents de difusió provoquen que en les proximitats de l'unió es recombinarán electrons i buits aniquilant-se abdós. Aixina, en les proximitats de l'unió apareixerà una zona a on no existiran càrregues lliures. Esta zona es denomina regió de càrrega espacial, zona de deplexión, zona de buidat.

Per un atre costat els ions originats per l'ionisació dels àtoms d'impurees estan fixos en la ret i no es poden moure. Açò llimita el procés de difusió degut a que els ions de les impurees que estan fixos en l'estructura cristalina, produïxen una diferència de potencial, (positiva del costat de la zona N i negativa del costat de la zona P) que tendirà a frenar la difusió de portadors d'una zona a una atra. En la zona de càrrega espacial apareixerà un camp elèctric (barrera de potencial) que tendix a alluntar tant als electrons de la zona n com als buits de la zona p de l'unió. Per tant, la difusió de portadors seguirà fins que el camp elèctric generat en l'interior de la zona de càrrega siga lo suficientment gran com per a impedir el pas dels mateixos. Per tant, tota unió PN que no es trobe conectada a un circuit exterior permaneix bloquejada i en equilibri electrònic a temperatura constant.

Si polarisem l'unió pn de forma directa (unió PN polarisada en directe), és dir, apliquem tensió contínua posant el pol positiu en la regió P i el pol negatiu a la regió N, la tensió de polarisació disminuirà l'esgambi de la zona de càrrega i disminuirà també la barrera de potencial que apareix en dita zona. Esta tensió trenca l'equilibri entre les que tendixen a produir la difusió dels portadors minoritaris. Per a valors chicotets de la tensió de polarisació (valors de tensió menors que la barrera de potencial) la circulació de corrent no serà apreciable. Açò es deu a que el camp elèctric que apareix en la zona de càrrega és més forta que el camp exterior aplicat, per lo tant els portadors majoritaris no podran travessar la zona de càrrega. A mida que la tensió exterior aplicada aumenta i superem el valor de la barrera de potencial desbloqueandola, els portadors majoritaris travessaran l'unió. Els buits de la zona p es voran arrastrats cap a la zona n i els electrons de la zona n cap a la zona p creant-se una corrent gran en el sentit de la zona p cap a la zona n fent que l'unió siga conductora i en una resistència elèctrica molt chicoteta.

Si polarisem l'unió PN de forma inversa (unió PN polarisada en invers), és dir, apliquem tensió contínua posant el pol negatiu en la zona P i el pol positiu de la tensió en la zona N, lo que fem és alluntar als buits de la zona p i als electrons de la zona n de l'unió. D'esta manera, la zona de càrregues fixes negatives s'estendrà cap a l'interior de la zona p i de forma anàloga la zona de càrregues positives tendirà a penetrar en la zona n. D'esta forma la tensió de polarisació aumenta l'esgambi de la zona de càrrega i aumenta també la barrera de potencial que apareix en dita zona. Este aument de la barrera de potencial continuarà fins que el potencial que apareix en la zona de càrrega espacial s'iguale en la tensió aplicada. La distància que la zona de càrrega espacial penetre en cada una de les zones dependrà del nivell de dopat de les mateixes. Quant més dopada estiga una zona menys s'adinsarà en la mateixa la zona de deplexión. Cal tindre

tindre en conte als portadors minoritaris (electrons en la zona p i buits en la zona n provinents de la formació de parells electró-buit pel trencament tèrmic d'enllaços). El camp elèctric aplicat tendirà a dur als electrons de la zona p cap a la zona n i als buits de la zona n cap a la zona p. Açò supon una corrent resultant que es denomina corrent inversa de saturació o corrent de fugues. Esta corrent depén de la temperatura i no depén de la tensió inversa aplicada.

Per tant, el comportament de l'unió PN és asimètrica respecte a la conducció elèctrica; depenent del sentit de la conexió es comporta com un bon conductor (polarisació directa) o un aïllant (polarisació inversa). Un diodo semiconductor no és més que un component electrònic basat essencialment en una unió PN en terminals conectats a cada costat. El seu funcionament depén de cóm s'aplique el voltage.

Crisis dels semiconductors

També coneguda com "Armagedón dels microchips" va ser el nom que se li va donar al succés de l'escassea de Microchips que s'està donant des del començ de la pandèmia fins a l'actualitat.

Pel confinament obligatori per part de la transmissió comunitària del virus SARS-CoV-2 la població baix la necessitat de mantindre la rutina es va vore en la necessitat d'adquirir equipament tecnològic, succés que va abrumar el rubro de la tecnologia aumentant la demanda de components de computadora i donant un aument del 55 % en el mercat global. Un dels sectors que va anar severament afectat és el negoci de les targetes gràfiques degut a que presentava una demanda sumament desbordada, ya que en la pandèmia es va impulsar el seu consum de manera disparada al punt de que encara, hui en dia, no es recupera del tot. Este fenomen es coneix com la mineria de criptodivisas.. I és que l'electrònica de consum no va ser l'única indústria sobre la que ha recaigut bona part del pes d'esta crisis. Les companyies d'automoció, els fabricants d'electrodomèstics i qualsevol atre sector industriala producció del qual depenga en major o menor mida dels semiconductors també s'estan veent profundament afectats per l'escassea de chips. Per eixemple, companyies com Toyota o General Motors s'han vist obligades a reduir la producció de coches en algunes fàbriques pel dèficit d'estos components.

Experts en el tema com Mark Papermaster (director de tecnologia i vicepresident eixecutiu de tecnologia i ingenieria d'AMD) i Felipe Curcio (Communications Manager per a Llatinoamèrica d'Intel) especulen un consol de la crisis a mitan de 2023 i normalisació de la producció per a 2024 respectivament.

Semiconductors en l'informàtica

Les computadores personals, els teléfons inteligents, els automòvils, els servidors de centres de senyes i les consoles de jocs d'hui en dia depenen dels semiconductors tant per a les operacions centrals com per a les capacitats alvançades. Per eixemple, quan usem les nostres computadores portàtils per a reservar unes vacacions, trobar una recomanació de restaurant, reproduir una película o accedir al correu electrònic, l'unitat de processament central (CPU) i l'unitat de processament de gràfics (GPU) basades en semiconductors de la computadora portàtil implementen funcions informàtiques que responen preguntes a l'instant. Els circuits integrats (IC) fets d'un material semiconductor (com el silici) són parts essencials dels dispositius electrònics moderns en les indústries comercials i de consum. Estos circuits deuen tindre la capacitat de comportar-se com un interruptor d'encés/apagat controlat eléctricamente (transistor) per a realisar els càlculs llògics fonamentals en una computadora. Per a conseguir esta capacitat de conmutación casi instantànea, els circuits deuen construir-se en un material semiconductor, una substància en una resistència elèctrica entre la d'un conductor i la d'un aïllant.

Semiconductors en Argentina

Des del primer circuit integrat o chip, desenrollat en 1958 fins a la data, l'evolució d'estos dispositius ha segut molt vertiginosa. L'Empresa “UnitecBlue” va ser la responsable d'inaugurar la primera planta dedicada a la producció de chips que tenen una producció de mil millons de semiconductors anuals. Gràcies a estos alvanços, científics de l'Universitat Nacional del Sur varen conseguir desenrollar un prototip científic d'una retina electrònica inteligent en una nova tecnologia de chips denominada 3D. Estos chips, que poden aplicar-se en micro-cambres inteligents, tindran la capacitat d'observar una escena i identificar situacions per a poder resoldre estos escenaris de manera eficaç, açò ho explica el Dr. Pedro Julián, professor i investigador del Departament d'Ingenieria Elèctrica i Computadores de l'Universitat Nacional del Sur i investigador responsable de Tecnópolis del Sur. Dissenyat pel grup de Microelectrónica de l'Universitat Nacional del Sur, el chip de 2,5 mm × 2,5 mm captura imàgens al mateix temps que les pot processar a una taxa de mils de quadros per segon, mentres que una cambra normal solament captura uns cinquanta quadros per segon i no realisa cap anàlisis sobre el vídeo capturat. La tecnologia de chips 3D permet lliteralment apilar circuits integrats convencionals, i interconectarlos entre sí. Ademés, tenen la ventaja adicional de que els chips que constituïxen cada u dels "pisos" del chip 3D, poden ser de distintes tecnologies especialisades, per eixemple, per a comunicacions, per a memòria, per a processament, o per a sensors. Els chips tridimensionals estan revolucionant l'indústria dels semiconductors, ya que els clients necessiten noves maneres d'obtindre més performance i funcionalitat.

Vore també

• Circuit integrat
• Conductivitat elèctrica
• Diodo
• Nanotecnología
• Silici
• Transistor
• Unió PN
• Polímero semiconductor
• Anex:Materials semiconductors
• Superconductividad

Bibliografia

• (2006) Handbook of Semiconductor Nanostructures and Nanodevices (5-Volume Set), American Scientific Publishers. ISBN 978-1-58883-073-9.
• Sze, Simon M. (1981). org/details/physicsofsemicon00szes Physics of Semiconductor Devices (2nd ed.), John Wiley and Sons (WIE). ISBN 978-0-471-05661-4.
• Turley, Jim (2002). org/details/essentialguideto00turl_0 The Essential Guide to Semiconductors, Prentice Hall PTR. ISBN 978-0-13-046404-0.
• (2004) Fundamentals of Semiconductors : Physics and Materials Properties, Springer. ISBN 978-3-540-41323-3.
• Sadao Adachi (2012). The Handbook on Optical Constants of Semiconductors: In Tables and Figures, World Scientific Publishing. ISBN 978-981-4405-97-3.
• G. B. Abdullayev, T. D. Dzhafarov, S. Torstveit (Translator), Atomic Diffusion in Semiconductor Structures, Gordon & Breach Science Pub., 1987 ISBN 978-2-88124-152-9

Enllaços externs

Erro al crear miniatura: Semiconductor en el Viccionari. Tens que especificar títul = i url = al usar {{cita web}}..

• google. it/books? id=WXOkEvr4sxcC&pg=PA49&lpg=PA49&dq=semiconductor+defects+krause&source=bl&ots=bN0FKDs-m7&sig=KVT9R68-CpLgkfCtu6-kF2R-K0k&hl=it&ei=3cawTL-xJciY4AaRrpXhBg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1&ved=0CBQQ6AEwADgK#v=onepage&q=semiconductor%20defects%20krause&f=false "Aniquilació de Positrones en Semiconductors"
• como. polimi. it/ferragut "Alguns estudis de semiconductors en Espectroscopía". Positron Lab, Com, Italy
• fisicadesemiconductores. blogspot. com/ * Física de semiconductors

Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Semiconductor.