Investigacion Propiedades y crecimiento de cristales semiconductores

Física de semiconductores
Propiedades y crecimiento de cristales
semiconductores
Grupo 3EA
Introducción:
Históricamente el germanio fue el primer semiconductor utilizado en la
fabricación de dispositivos semiconductores. Aparte del germanio y del silicio
que son semiconductores simples, existen otros semiconductores llamados
compuestos, entre los cuales podemos citar: Arseniuro de galio, fosfuro de
galio, antomoniuro de indio, dióxido de cloro que son compuestos binarios o
también los compuestos terciarios. Los semiconductores son materiales cuya
conductividad varía con la temperatura, pudiendo comportarse como
conductores o como aislantes. Resulta que se desean variaciones de la
conductividad no con la temperatura sino controlables eléctricamente por el
hombre. Estos átomos se llaman impurezas y tras su introducción, el material
semiconductor presenta una conductividad controlable eléctricamente. Existen
dos tipos de impurezas, las P y las N, que cambian la conductividad del silicio
y determinan el tipo de cristal a fabricar. Por tanto, como hay dos tipos de
impurezas habrá dos tipos fundamentales de cristales, cristales de impurezas P
y cristales de impurezas tipo N.
Desarrollo:
El primer paso en la fabricación de un dispositivo semiconductor es obtener
materiales semiconductores, como germanio y silicio, del nivel de impurezas
deseado. Los niveles de impurezas de menos de una parte en mil millones (1
en 1.000.000.000) se requiere para la mayor parte de la fabricación de
semiconductores de hoy día.
La materia prima se somete primero a una serie de reacciones químicas y a un
proceso de refinación de zona para formar un cristal policristalino del nivel
deseado de pureza. Los átomos del cristal policristalino se acomodan al azar,
mientras que en el cristal deseado los átomos se acomodan en forma simétrica,
uniforme, con estructura geométrica en enrejado.
La operación final antes de que la fabricación del semiconductor se lleve a cabo
es la formación de un solo cristal de germanio o silicio. Esto se puede lograr
usando la técnica de Czochralski o la de zona flotante.
El proceso o método de Czochralski consiste en un procedimiento para
la obtención de lingotes monocristalinos. Fue desarrollado por el científico
polaco Jan Czochralski partir de 1916. Este método es utilizado para la
obtención de silicio monocristalino mediante un cristal semilla depositado en
un baño de silicio. Es de amplio uso en la industria electrónica para la obtención
de obleas, destinadas a la fabricación de transistores y circuitos integrados. Para
tener una idea de la funcionalidad que tiene este proceso en la industria
microelectrónica, basta señalar que cada circuito integrado creado a partir de
estas obleas mide 8mm de lado, esto hace que de cada oblea se obtengan de 120
a 130 circuitos. Cada oblea es tratada de forma que todos los circuitos se hacen
a la vez, pasando por el mismo proceso en el mismo instante.
El método consiste en un crisol (generalmente de cuarzo) que contiene el
semiconductor fundido, por ejemplo germanio. La temperatura se controla para
que esté justamente por encima del punto de fusión y no empiece a solidificarse.
En el crisol se introduce una varilla que gira lentamente y tiene en su extremo
un pequeño monocristal del mismo semiconductor que actúa como semilla. Al
contacto con la superficie del semiconductor fundido, éste se agrega a la
semilla, solidificándose con su red cristalina orientada de la misma forma que
aquella, con lo que el monocristal crece. La varilla se va elevando y, colgando
de ella, se va formando un monocristal cilíndrico. Finalmente se separa el
lingote de la varilla y pasa a la fusión por zonas para purificarlo.
Al controlar con precisión los gradientes de temperatura, velocidad de tracción
y de rotación, es posible extraer un solo cristal en forma de lingote cilíndrico.
Con el control de estas propiedades se puede regular el grosor de los lingotes.
Las situaciones de inestabilidad indeseables en la masa fundida se pueden evitar
mediante la monitorización y la visualización de los campos de temperatura y
la velocidad durante el proceso de crecimiento de cristales. Cuando la
temperatura asciende, el propio lingote se va fundiendo, pero si desciende, se
forman agregados que no son monocristalinos. Este proceso se realiza
normalmente en una atmósfera inerte, como argón, y en una cámara inerte,
como cuarzo.
Cristal De Silicio Puro
Se denomina semiconductor puro aquél en que los átomos que lo constituyen
son todos del mismo tipo, es decir no tiene ninguna clase de impureza.
La disposición esquemática de los átomos para un semiconductor de silicio
podemos observarla en la figura, Las regiones sombreadas representan la
carga positiva neta de los núcleos y los puntos negros son los electrones,
menos unidos a los mismos.
La fuerza que mantiene unidos a los átomos entre sí es el resultado del hecho
de que los electrones de conducción de cada uno de ellos, son compartidos por
los cuatro átomos vecinos.
A temperaturas bajas la estructura normal es la que se muestra en la figura en
la cual no se observa ningún electrón ni hueco libre y por tanto el
semiconductor se comporta como un aislante.
Conducción Del Cristal De Silicio Puro
A la temperatura ambiente (20-25 grados C.) algunas de las fuertes uniones
entre los átomos se rompen debido al calentamiento del semiconductor y
como consecuencia de ello algunos de los electrones pasan a ser libres. En la
figura siguiente se representa esta situación. La ausencia del electrón que
pertenecía a la unión de dos átomos de silicio se representa por un círculo.
Cuando un electrón puede vencer la fuerza que le mantiene ligado al núcleo y
por tanto abandona su posición, aparece un hueco, y le resulta relativamente
fácil al electrón del átomo vecino dejar su lugar para llenar este hueco. Este
electrón que deja su sitio para llenar un hueco, deja a su vez otro hueco en su
posición inicial, De esta manera el hueco contribuye a la corriente lo mismo
que el electrón, con una trayectoria de sentido opuesto a la de éste.
Cristal Tipo N. Conducción
Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas
pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor
tipo n, reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los
huecos se les denomina "portadores minoritarios".
Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres
dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen
hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de
los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con
el hueco.
Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del
cristal, donde entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batería. El
número de electrones libres se llama n (electrones libres/m3).
Cristal Tipo P. Conducción
Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas
trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres,
los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los
minoritarios.
Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y
los huecos lo hacen hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al
extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del
circuito externo.
En el circuito hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones
libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay
muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este
circuito. Hay tantos huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo
huecos de generación térmica (muy pocos). El número de huecos se llama p
(huecos/m3).
Conclusión:
Los semiconductores son materiales cuya conductividad varía con la
temperatura, pudiendo comportarse como conductores o como aislantes. El
material semiconductor más utilizado es el Silicio, pero hay otros
semiconductores como el Germanio que también son usados en la
fabricación de circuitos. El silicio está presente de manera natural en la arena
por lo que se encuentra con abundancia en la naturaleza. Además, el Si
presenta propiedades mecánicas y eléctricas buenas. Su purificación es
relativamente sencilla y el Si se presta fácilmente a ser oxidado, formándose
SiO2 y constituyendo un aislante que se utiliza en todos los transistores de la
tecnología CMOS.
Referencias:
Principios Básicos Materiales Semiconductores. (s. f.). Electronica
Facil. Recuperado 9 de septiembre de 2020, de
https://www.electronicafacil.net/tutoriales/Principios-BasicosMateriales-Semiconductores.html
J. (2013, 18 octubre). semiconductores - germanio - silicio - cristales
de silicio. Slideshare.
https://es.slideshare.net/Jessica_Miranda/subtema-3-del-proyectode-aula
Cristales de Silicio. (s. f.). Electronica Basica. Recuperado 9 de
septiembre de 2020, de
http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/
Pagina3.htm
Semiconductores. (s. f.). Electrotecnia. Recuperado 9 de septiembre
de 2020, de
http://www.etitudela.com/Electrotecnia/electronica/01d56993840f26
d07/01d56994e30f40632/index.html
Olea, A. (s. f.). Semiconductores. UNED. Recuperado 9 de
septiembre de 2020, de https://www2.uned.es/cabergara/ppropias/Morillo/web_et_dig/02_semiconduc/diodos.pdf