1.1 Introducción a los semiconductores
Los dispositivos semiconductores son componentes fundamentales de los circuitos electrónicos, y están hechos de materiales semiconductores. Los materiales semiconductores se definen como sustancias con conductividad eléctrica entre conductores y aisladores. Además de tener conductividad entre la de los conductores y los aisladores, los semiconductores también poseen las siguientes propiedades:
1, un aumento de la temperatura puede mejorar significativamente la conductividad de los semiconductores. Por ejemplo, la resistividad del silicio puro (SI) se duplica cuando la temperatura aumenta de 30 grados a 20 grados.
2, las pequeñas cantidades de impurezas (su presencia y concentración) pueden alterar drásticamente la conductividad de los semiconductores. Por ejemplo, si se introduce un átomo de impureza (como un +3 o +5 elemento de valencia) por millón de átomos de silicio, la resistividad a temperatura ambiente (27 grados; ¿por qué la temperatura ambiente es 27 grados? Debido a 214,000 Ω · cm a 0.2 Ω · cm.
3, la exposición a la luz puede mejorar significativamente la conductividad de los semiconductores. Por ejemplo, una película de sulfuro de cadmio (CDS) depositada en un sustrato aislante tiene una resistencia de varios megohms (MΩ) en ausencia de luz, pero bajo iluminación, la resistencia cae a varias decenas de kilohms (kΩ).
4, además, los campos magnéticos y eléctricos también pueden alterar notablemente la conductividad de los semiconductores.
Por lo tanto, los semiconductores son materiales con conductividad entre conductores y aisladores, y sus propiedades intrínsecas son altamente susceptibles a cambios significativos debido a factores externos como la luz, el calor, el magnetismo, los campos eléctricos y las concentraciones de impurezas de trazas.
Dadas estas propiedades ventajosas, los semiconductores pueden utilizarse de manera efectiva. En particular, las discusiones posteriores sobre diodos, transistores y transistores de efecto {{1 1}}} demostrarán cómo se aprovecha la propiedad de las impurezas de trazas significativamente que altere la conductividad semiconductora.
1.2 Semiconductores intrínsecos
¿Cómo introducimos las impurezas de trazas en semiconductores? ¿Podemos agregar directamente impurezas al cuarzo natural (cuyo componente principal es Si)? No podemos usar el silicio natural directamente porque contiene varias impurezas, lo que hace que su conductividad sea incontrolable. Para servir como material fundamental para todos los semiconductores, el objetivo principal es lograr una conductividad controlable.
Por lo tanto, necesitamos purificar el silicio natural en una estructura de cristal de silicio puro. Esta estructura cristalina de semiconductores puro se conoce como un semiconductor intrínseco.
Características de los semiconductores intrínsecos: (los semiconductores intrínsecos son estructuras de cristal puro)
1, pureza, lo que significa que no hay impurezas.
2, estructura cristalina, que representa la estabilidad. Los átomos están unidos entre sí, evitando la libre movimiento, lo que resulta en una conductividad aún más baja en comparación con el silicio natural.
1.2.1 Estructura cristalina de semiconductores intrínsecos
En química, aprendimos que los electrones más externos de dos átomos de silicio (Si) adyacentes en un cristal se convierten en electrones compartidos, formando enlaces covalentes. Sin embargo, no todos los electrones más externos de cada átomo de SI permanecen estrictamente dentro de sus propios enlaces covalentes. La razón de esto es que el material existe en un entorno con temperatura. Además del movimiento ordenado, los electrones más externos también sufren movimiento térmico - movimiento aleatorio - debido a la influencia de la temperatura. Ocasionalmente, un electrón puede poseer mayor energía que otros átomos, lo que le permite liberarse del enlace covalente y convertirse en un electrón libre. Incluso con una pequeña cantidad de energía, los electrones más externos de un conductor pueden generar un movimiento direccional.
Los semiconductores intrínsecos están libres de impurezas. Cuando un electrón se libera de un enlace covalente, deja una vacante conocida como un agujero. En los semiconductores intrínsecos, el número de electrones libres es igual al número de agujeros, y se generan en pares. La estructura cristalina, los agujeros y los electrones libres se ilustran en la figura a continuación:
1.2.1 Estructura cristalina de semiconductores intrínsecos (continuación)
Si se aplica un campo eléctrico externo a través de un semiconductor intrínseco:
1, los electrones libres se mueven direccionalmente, formando uncorriente de electrones.
2, debido a la presencia de agujeros, los electrones de valencia se mueven en una dirección específica para llenar estos agujeros, lo que hace que los agujeros también sufran un movimiento direccional (ya que los electrones y los agujeros libres se generan en pares). Este movimiento de agujeros forma uncorriente de agujero. A medida que los electrones y agujeros libres llevan cargas opuestas y se mueven en direcciones opuestas, la corriente total en un semiconductor intrínseco es la suma de estas dos corrientes.
Los fenómenos anteriores demuestran que tanto los agujeros como los electrones libres actúan como partículas que transportan carga eléctrica (tales partículas se llamantransportista de cargos). Por lo tanto, ambos son portadores de carga. Esto distingue a los semiconductores intrínsecos de los conductores: en los conductores, solo hay un tipo de portador de carga, mientras que en los semiconductores intrínsecos, hay dos tipos de portadores de carga.
1.2.2 Concentración de portador en semiconductores intrínsecos
El fenómeno donde un semiconductor genera electrones libres - pares de agujeros bajo excitación térmicaexcitación intrínseca.
Durante el movimiento aleatorio de electrones libres, cuando se encuentran con agujeros, los electrones y agujeros libres desaparecen simultáneamente. Este fenómeno se llamarecombinación. El número de electrones libres - pares de agujeros generados por excitación intrínseca es igual al número de electrones libres - pares de agujeros que se recombinan, logrando un equilibrio dinámico. Esto significa que a cierta temperatura, las concentraciones de electrones y agujeros libres son las mismas.
Cuando la temperatura ambiente aumenta, el movimiento térmico se intensifica y más electrones libres se liberan de las restricciones de los electrones de valencia, lo que lleva a un aumento en los agujeros. En consecuencia, la concentración del portador aumenta, mejorando la conductividad. Por el contrario, cuando la temperatura disminuye, la concentración del portador disminuye, reduciendo la conductividad. Cuando la temperatura cae a cero absoluto (0 K), los electrones de valencia carecen de la energía para liberarse de enlaces covalentes, lo que no resulta en conductividad.
En semiconductores intrínsecos, la conductividad implica el movimiento de dos tipos de portadores de carga. Aunque la conductividad de los semiconductores intrínsecos depende de la temperatura, sigue siendo extremadamente pobre debido a su estructura cristalina. A pesar de su mala conductividad, los semiconductores intrínsecos exhiben una fuerte controlabilidad en sus propiedades conductivas.
1.3 semiconductores dopados
Esta sección explicará por qué los semiconductores intrínsecos exhiben una controlabilidad tan fuerte en la conductividad. Aquí, utilizaremos la siguiente propiedad de semiconductores:Las pequeñas cantidades de impurezas pueden alterar significativamente su conductividad.
"Doping" se refiere al proceso de introducir elementos de impurezas apropiados en un semiconductor intrínseco. Dependiendo del tipo de elementos de impureza agregados, los semiconductores dopados pueden clasificarse enN - Tipo de semiconductoresyP - Tipo de semiconductores. Al controlar la concentración de los elementos de impurezas, la conductividad del semiconductor dopado puede regularse con precisión.
1.3.1 N - Tipo de semiconductor
"N" significaNegativo, a medida que los electrones tienen una carga negativa y son livianos. Para introducir electrones adicionales en la estructura cristalina, los elementos pentavalentes (p. Ej., Fósforo, P) se dopan típicamente en el semiconductor. Dado que un átomo de fósforo tiene cinco electrones de valencia, después de formar enlaces covalentes con átomos de silicio circundantes, queda un electrón adicional. Este electrón puede convertirse fácilmente en un electrón libre con una entrada de energía mínima. El átomo de impureza, ahora fijo en la red de cristal y que carece de un electrón, se convierte en un ion positivo inmóvil. Esto se ilustra en la figura a continuación:
1.3.1 N - Tipo de semiconductor (continuación)
En un semiconductor de tipo n -, la concentración de electrones libres es mayor que la de los agujeros. Por lo tanto, se llaman electrones libresportador de la mayoría(multiplicadores), mientras se llaman agujerostransportista minoritario(menores). Por lo tanto, la conductividad de un semiconductor n -} se basa principalmente en electrones libres. Cuanto mayor sea la concentración de impurezas dopadas, mayor es la concentración de portadores mayoritarios y más fuerte es la conductividad.
Examinemos cómo cambia la concentración de portadores minoritarios cuando aumenta la concentración de la mayoría del portador. La concentración de portador minoritario disminuye porque el mayor número de electrones libres aumenta la probabilidad de recombinación con agujeros.
Cuando aumenta la temperatura, aumenta el número de portadores y el aumento de los portadores de la mayoría es igual al aumento de los portadores minoritarios. Sin embargo, el cambio porcentual en la concentración de portadores minoritarios es mayor que el de los portadores mayoritarios (debido a las diferentes concentraciones base de minorías y especialidades, a pesar de que el aumento numérico es el mismo). Por lo tanto, aunque la concentración de portadores minoritarios es baja, no deben subestimarse. Los portadores minoritarios son un factor crítico que afecta la estabilidad de la temperatura de los dispositivos semiconductores y, por lo tanto, su concentración también debe considerarse.
1.3.2 P - Tipo de semiconductor
"P" significaPositivo, llamado así por los agujeros cargados positivamente. Para introducir agujeros adicionales en la estructura cristalina, los elementos trivalentes (p. Ej., Boron, B) se dopan típicamente en el semiconductor. Cuando un átomo de boro forma enlaces covalentes con átomos de silicio circundantes, crea una vacante (que es eléctricamente neutral). Cuando un electrón de valencia de un átomo de silicio vecino llena esta vacante, el enlace covalente genera un agujero. El átomo de impureza se convierte en un ion negativo inmóvil. Esto se ilustra en la figura a continuación:
1.3.2 P - Tipo de semiconductor (continuación)
En comparación con n - tipo semiconductores, en p - tipo semiconductores:
Los agujeros son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones libres son los portadores minoritarios.
La conductividad se basa principalmente en agujeros. Cuanto mayor sea la concentración de impurezas dopadas, mayor es la concentración de agujeros, lo que lleva a una conductividad más fuerte (a medida que las vacantes en los átomos de impureza absorben electrones). La concentración de portador minoritario disminuye.
Cuando aumenta la temperatura, el cambio porcentual en la concentración de electrones libres es más alto que el de la concentración de agujeros.