Semiconductores

Semiconductores
Lilia Meza Montes
Otoño 2009
Cristales: Potencial Periódico
Energía de Fermi
Metal
Resistividad eléctrica
Vs
Temperatura absoluta
Resistividad residual:
debida a defectos
Resistividad
Relación casi lineal
Temperatura en C
Semiconductores
Concentracion de portadores
Características
• Sólidos aislantes a T=0, pero con banda prohibida tal
que presentan conductividad observable debajo del
punto de fusión.
• 0.1 eV < Eg < 2 eV
• Eg =0.25 fracción de electrones en BC (e-Eg /2kT)~102
• Resisitividades a T ambiente 10-3 –109 ohm-cm
(metales 10-6, aislantes 1022)
• Número de electrones en la banda de conducción ~
exponencial 1/T, conductividad se incrementa con T
(en metales generalmente disminuye con T e-f)
• Fotoconductividad, portadores de carga positiva y
negativa, impurezas
Portadores
Red diamante (2D):
Si o Ge
Iones (+)
electrones de valencia
Enlace covalente
Huecos y electrones
Conducción bajo campo eléctrico
Huecos y electrones
Materiales intrínsecos
Gap Ge 0.67 eV
Si 1.14 eV
Semiconductores: electrones y
huecos
E
-
Si
Si
Si
B
-
Si
Si
B
Si
+
Si
Si
Si
Si
Electrones en
enlace covalente
Carga -
+
Huecos: “ausencia” de electrones
carga +
Ge
Diferentes concentraciones
De impurezas
Semiconductor extrínseco:
Donadores
Ea=0.44eV
P se ioniza (ion +)
Banda de donadores
Energías de ionización
Si Intrínseco
Aceptores
B trivalente
Aceptores
Movimiento de electrones y huecos
+
-
Si
T ambiente
Semiconductor intrínseco
ni ∝ e
− ( E g − Eav ) / kT
Eav = E g / 2
ni ∝ e
intrínseco
− Eg / 2 kT
σ = σ 0 exp( − E g / 2kT )
Semiconductor extrínseco tipo n
a) Si con As
b) Si con B
Unión pn
Región de agotamiento
Recombinación
Diodo de unión pn polarizado
inversamente
Región de agotamiento más ancha que en equilibrio.
Flujo de portadores mayoritarios casi cero
Flujo de portadores minoritarios polarizados
directamentepequena corriente
Diodo de unión pn polarizado
directamente
Portadores mayoritarios se repelen hacia la unión
Cruzan para recombinarsecorriente grande
Diodos rectificadores
Corriente
alterna a
corriente
directa
Diodo Zener (de Avalancha)
Gran corriente
inversa en el voltaje
de ruptura
Transistor de efecto de campo
NMOS
NMOS
Voltaje de
compuertafuente
positivo
(VGS)
Primer transistor
Semiconductores Compuestos
c
b
z
y
x
a
Comp
uesto
s III-V
GaAs
GaN
Semiconductor
volumétrico
Heteroestructuras
semiconductoras
Ec
Ec
Eg
AlGaAs
Ev
GaAs
Ev
z
Ingeniería de
{
brecha prohibida,
función de onda electrónica,
Factor g de Landé,
Ejemplo: Superredes
BC
Eg1
BV
Eg2
Eg
GaAs-AlGaAs
Periodo 100 Å
Ejemplo: Gas Bidimensional de
electrones
z
EF
E
++
+
Si
-
Electrones confinados: 2DEG
Aplicaciones: Transitores, efecto Hall cuántico, etc.
Puntos Cuánticos Nanolitográficos
(laterales)
→
Compuertas metálicas
B
~100nm
nm
70
0D: Gas Bidimensional de electrones confinados
PCs individuales
Puntos cuánticos Acoplados
Aplicación de PCs en Computación Cuántica
Bit
Bit == estado
estado de
de espín
espín ½
½ (qubit)
(qubit)
|Compuertas cuánticas (operaciones lógicas):
•Dos qubits
•Un campo magnético para manipular al
sistema
B(t)
•Importante conocer los estados electrónicos
•Efectos de espín órbita intensos podrían usarse