TEMA A: Caracterización estática de los semiconductores

CAPITULO 3

CARACTERIZACION DE LOS SEMICONDUCTORES

TEMA A: Caracterización estática de los semiconductores

Como hemos visto los semiconductores constituyen uno de los tipos mayes de materiales solidos cristalinos por eso el interés en la electrónica es fundamental ya que una buena parte de los componentes electrónicos, principalmente los activos están constituidos sobre la base de estos.

Semiconductores intrínsecos  

Debemos distinguir acá desde un punto de vista tecnológico los denominados extrínsecos.

Un semiconductor extrínseco es por definición un semiconductor puro tanto en su composición como en su estructura. En su composición el semiconductor es puro porque está constituido básicamente por un solo tipo de átomo grupo 4 como el silicio o el germanio) no obstante también podemos permitir como semiconductor intrínseco aquellos constituidos como compuestos semiconductores como carbono – silicio, carbono-germanio, carbono-silicio-germanio o cierto comportamiento intermetálico generalmente grupo 3 y 5

Se comportarán estos últimos como semiconductores intrínsecos propiamente dicho cuando el número de átomos de una u otra especie que componen un compuesto sean iguales o similares

• Distribución de portadores

No sólo se requiere describir la probabilidad de ocupación de los estados sino también de escribir la distribución de estados. Buscamos una función de densidad de distribución que describa la cantidad de estados por intervalo de energía. En un sistema clásico esperamos que haya estabilidad energética en cualquier intervalo energía, por más pequeño que sea. La densidad de distribución sería una función continua de la energía. Pero eso no puede esperarse de un sistema cuántico ya que desde el mismo átomo sabemos que los estados responder a reglas discretas. A lo sumo podemos esperar que, si el intervalo de energía observado es suficientemente grande con respecto al tamaño de la desratización, podemos aplicar herramientas de cálculo continuo similares a como computaríamos en un problema clásico. Precisamente en la teoría de bandas se observa un conjunto denso de estados disponibles dentro de una banda que parece como si fuera un conjunto infinito de estados de intervalo de energía, es decir una banda continua, sin embargo, al fin de cualquier consideración los estados son discretos.

Desde el punto de vista matemático un grupo de estados discretos deberían computarse mediante una sumatoria mientras que un grupo de estados continuos se computaría mediante una integral. Basado en lo dicho podemos esperar que exista una herramienta continua, una integral que aproxime cálculo discreto cuando es lo suficientemente grande con respecto al diferencial de energía considerando se.

Un diferencial de energía puede ser tan pequeño como uno quisiera.

Se requiere más allá de lo anterior algún principio del cual podamos deducir la cantidad de estados. En para encontrar dicho principio consideraremos la diferencia entre una partícula clásica y una particular cuántica en el denominado espacio de estados.

Primeramente, definamos el concepto de estado más apropiado en un sistema clásico en un estado energético es un conjunto de valores que definen completamente la energía del sistema en un instante determinado; en una evolución del sistema en su caso una particular, recorrerá distintos estados energéticos que siguen las ecuaciones de Euler. En cualquier instante de tiempo el estado de una partícula queda definido por su posición y velocidad o más genéricamente coordenadas generalizadas (por su posición e impulsó “P” el impulso de es m.V ). En un sistema clásico de una particular la cantidad de grados de libertad posible son seis; tren de velocidad y tres e impulsó si ahora consideramos un sistema de n partículas que no tenga restricciones entre sí tendrá seis n grados de libertad.

A medida que incorporamos restricciones en el sistema de partículas el número de grados de libertad se reduce por ejemplo en un sólido cada particular está restringida a mantener una distancia con respecto a las otras en lo que resulta que el solidos tiene tres grados de desplazamiento, tres de rotación y tres de velocidad igual a nueve grados.

• Características de los huecos y electrones como portadores en el Ge y en el Si.

Son los cristales de silicio o germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad.

Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia.3​ Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.

El proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado energético correspondiente en la banda de conducción a un hueco en la banda de valencia, liberando así energía. Este fenómeno se conoce como "recombinación". A una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece constante. Sea "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple entonces que:3​

ni = n = p

donde ni es la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del elemento en cuestión. La densidad o concentración intrínseca de portadores es muy baja.

• Procesos de obtención de mono-cristales puros    

El proceso o método de Czochralski: consiste en un procedimiento para la obtención de lingotes monocristalinos. Fue desarrollado por el científico polaco Jan Czochralski a 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 wafers u 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 miden 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.  

[pic 1]

• Procesos de conducción en los semiconductores

Como se ha dicho, a 0°K la banda de valencia está totalmente llena y la banda de conducción totalmente vacía, por lo que en principio sería imposible hablar de conducción eléctrica (no consideramos aquí la superconducción). En estas circunstancias también hemos dicho que la banda de valencia puede representarse como un mar de pares hueco-electrón. Esto quiere decir que para que haya conducción eléctrica deben romperse enlaces hueco-electrón, de modo que quedan electrones libres y también huecos libres. Precisamente la energía de enlace de los pares hueco-electrón es el salto de energía o gap del material (banda prohibida).

El rompimiento de un par hueco-electrón puede interpretarse bajo la teoría de bandas como una transición de un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción. A una temperatura cualquiera hay, en consecuencia, electrones libres en la banda de conducción y huecos disponibles en la banda de valencia. Uno puede intuir inmediatamente que no sólo habrá transporte de carga en presencia de un campo eléctrico en la banda de conducción, sino también en la banda de valencia, aunque con distintas movilidades.

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