¡Descarga Estructura Atómica de Semiconductores: Silicio, Germanio, Boro y Galio y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Ingeniería Química solo en Docsity!
SUBTEMA 1
-Características físicas y eléctricas de los semiconductores Como sabemos, el átomo se compone de tres partículas fundamentales: electrón, protón y neutrón. En la red atómica, los neutrones y protones forman los núcleos, en tanto que los electrones giran alrededor del núcleo en una órbita fija. En la figura 1 se muestran los modelos de Bohr de los dos semiconductores más comúnmente usados, el germanio y el silicio. Según se indica en la figura 1(a), el átomo de germanio tiene 32 electrones orbitales, en tanto que el silicio tiene 14 electrones alrededor del núcleo. En cada caso hay 4 electrones e la capa exterior (de valencia). El potencial (potencial de ionización) que se requiere para remover cualquiera de estos 4 electrones de valencia es menor que el requerido para cualquier otro electrón en la estructura. En un cristal puro de germanio o silicio estos 4 electrones de valencia se encuentran unidos a 4 átomos adyacentes, como se muestra en la figura 2. El Ge y él Si se dice que son átomos tetravalentes porque cada uno tiene cuatro electrones de valencia. -Estructura atómica de semiconductores elementales y dopantes Silicio En estado puro tiene propiedades físicas y químicas parecidas a las del diamante. El dióxido de silicio (sílice) [SiO2] se encuentra en la naturaleza en gran variedad de formas: cuarzo, ágata, jaspe, ónice, esqueletos de animales marinos. Su estructura cristalina le confiere propiedades semiconductoras. En estado muy puro y con pequeñas trazas de elementos como el boro, fósforo y arsénico constituye el material básico en la construcción de los chips de los ordenadores. Información general Nombre, símbolo, número: Silicio, Si, 14 Serie química:Metaloides Grupo, período, bloque: 14, 3, p Densidad: 2330 kg/m Apariencia: Gris oscuro azulado Propiedades atómicas Radio medio: 110 pm Radio atómico(calc): 111 pm (Radio de Bohr) Radio covalente: 111 pm Radio de van der Walls: 210 pm Configuración electrónica: [Ne] 3s2 3p Estado(s) de oxidación: 4 Estructura cristalina: Cúbica centrada en las caras Propiedades físicas Estado ordinario: Sólido (no magnético) Punto de fusión: 1687 K Punto de ebullición: 3173 K Entalpía de vaporización: 384,22 kJ/mol
Entalpía de fusión: 50,55 kJ/mol Presión de vapor: 4,77 Pa a 1683 K Velocidad del sonido: 8433 m/s a 293.15 K (20 °C) Germanio El estado del germanio en su forma natural es sólido y pertenece al grupo delos metaloides. El número atómico del germanio es 32. El símbolo químico del germanio es Ge. El punto de fusión del germanio es de1211,4 grados Kelvin o de 938,25grados Celsius o grados centígrados. El punto de ebullición del germanio es de 30,3 grados Kelvin o de 2819,85grados Celsius o grados centígrados. Es un metaloide sólido duro, cristalino, de color blanco grisáceo lustroso, quebradizo, que conserva el brillo a temperaturas ordinarias. Presenta la misma estructura cristalina que el diamante y resiste a los ácidos y álcalis. Forma gran número de compuestos órgano metálicos y es un importante material semiconductor utilizado en transistores y foto detectores. A diferencia de la mayoría de semiconductores, el germanio tiene una pequeña banda prohibida (band gap) por lo que responde de forma eficaz a la radiación infrarroja y puede usarse en amplificadores de baja intensidad. Información general Nombre, símbolo, número: Germanio, Ge, Serie química:Metaloides Grupo, período, bloque: 14,4, p Densidad: 5323 kg/m³ Propiedades atómicas Radio medio: 125 pm Radio atómico(calc): 125 pm (Radio de Bohr) Radio covalente: 122 pm Radio de van der Wells: Sin datos pm Electrones por nivel de energía: 2, 8, 18, 4 Estado(s) de oxidación: 4 Estructura cristalina: Cúbica centrada en las caras Boro (DOPANTES) El boro es un elemento químico. Su símbolo es B y su número atómico es el 5. Este metaloide es un elemento que no abunda en la naturaleza. La mayor fuente de boro son los boratos de depósitos evaporíticos, como el bórax. El boro es un elemento con vacantes electrónicas en el orbital; por ello presenta una acusada apetencia de electrones, de modo que sus compuestos se comportan a menudo como ácidos de Lewis, reaccionando con rapidez con sustancias ricas en electrones. Entre las características ópticas de este elemento, se incluye la transmisión de radiación infrarroja. A temperatura ambiente, su conductividad eléctrica es pequeña, pero es buen conductor de la electricidad a alta temperatura.
Configuración electrónica: [Ar]3d10 4s2 4p Electrones por nivel de energía: 1, Estado(s) de oxidación: 3 (anfótero) Estructura cristalina: Ortorrómbico Propiedades físicas Estado ordinario: Sólido Punto de fusión: 302,91 K Punto de ebullición: 2477 K Entalpía de vaporización: 258,7 kJ/mol Entalpía de fusión: 5,59 kJ/mol Presión de vapor: 9,31 × 10-36 P.a. a 302,9 K Velocidad del sonido: 2740 m/s a 293,15 K Fosforo El segundo elemento del grupo V, es mucho más abundante que el nitrógeno. Se encuentra en unos 200 minerales distintos, muchas veces en forma de fosfatos simples o mixtos. El fósforo se encuentra fundamentalmente en el mineral apatito, Ca3(PO4)2, que forma parte de las rocas fosfatadas. Como los compuestos del nitrógeno, los de fósforo son constituyentes esenciales de la materia viva; por ejemplo, los huesos contienen alrededor del 60 % de fosfato de calcio. Otra fuente de fósforo es de origen animal, producido por excrementos de aves en las costas chilenas y peruanas. El fósforo, en forma de fosfatos disueltos en el agua de los mares, es de gran importancia para la vida de los seres que viven en ellos. Se calcula en una concentración media de 0,00007 g/litro. En la superficie es menor, y con la profundidad aumenta gradualmente, hasta estabilizarse. Nombre,símbolo,número: Fósforo, P, 15 Serie química:No metales Grupo,período,bloque: VA, 3, p Densidad: 1823 kg/m Apariencia: Incoloro, rojo o blanco plateado Propiedades atómicas Radio medio: 100 pm Radio atómico(calc): 98 pm Radio covalente: 106 pm Radio de van der Walls: 180 pm Configuración electrónica: [Ne]3s2 3p Electrones por nivel de energía: 2, 8, 5 Estado(s) de oxidación: ±3, 1, 5 Estructura cristalina: Monoclínica Propiedades físicas Estado ordinario: Sólido Punto de fusión: 317,3 K Punto de ebullición: 550 K Entalpía de vaporización: 12,129 kJ/mol Entalpía de fusión: 0,657 kJ/mol Presión de vapor: 20,8 Pa a 294 K
Carbono El carbono es un elemento químico de número atómico 6. Es sólido a temperatura ambiente. Dependiendo de las condiciones de formación puede encontrarse en la naturaleza en forma cristalina, como es el caso del grafito, el diamante y la familia de los fullerenos y nanotubos de carbono; o bien en forma amorfa. Aunque no muy frecuente en la corteza terrestre (<0,1 %), es el segundo elemento por su abundancia en el organismo humano, donde alcanza el 17,5 %. Se halla en todos los tejidos animales y vegetales combinado con el hidrógeno y el oxígeno; tambien se encuentra en los derivados geológicos de la materia viva (petróleos y carbones), unido sobre todo al hidrógeno, con el que forma hidrocarburos. Combinado con el oxígeno se halla en la atmósfera como dióxido de carbono y en las rocas, formando carbonatos, caliza principalmente. Libre, el carbono es poco abundante, presentándose en dos estados alotrópicos: diamante y grafito. Nombre,símbolo,número: Carbono, C, 6 Serie química:No metales Grupo,período,bloque: IV A, 2, p Densidad: 2267 kg/m Apariencia: Negro (grafito) Incoloro (diamante) Propiedades atómicas Radio medio: 70 pm Radio atómico(calc): 67 pm Radio covalente: 77 pm Radio de van der Walls: 170 pm Configuración electrónica: [He]2s22p Electrones por nivel de energía: 2, 4 Estado(s) de oxidación: 4, 2 Estructura cristalina: hexagonal Propiedades físicas Estado ordinario: Sólido Punto de fusión: 3500 °C Punto de ebullición: 4200 °C Entalpía de vaporización: Grafito; sublima: 711 kJ/mol Entalpía de fusión: Grafito; sublima: 105 kJ/mol -Semiconductores intrínsecos Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción. Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del
Ejemplo: 6.- Relación entre estructura electrónica y conductividad eléctrica de semiconductores extrínsecos. La relación más común de estos partes es que en la parte electrónica estos: Los agentes antiestáticos, llamados desestabilizadores, se utilizan para reducir la acumulación de cargas electrostáticas en la superficie de los plásticos debido a su inherente mala conductividad eléctrica. Atraen la humedad para aumentar la conductividad superficial y así se reduce la posibilidad de que se produzca una chispa o descarga. Los agentes antiestáticos más comunes son compuestos cuaternarios de amonio, ésteres fosfóricos y ésteres de poli etilenglicol. Evidentemente la principal desventaja de los materiales plásticos en estas aplicaciones está en relación a la pérdida de características mecánicas y geométricas con la temperatura. Sin embargo, ya se dispone de materiales que resisten sin problemas temperaturas relativamente elevadas (superiores a los 200 °C), como, por ejemplo: polímeros de poliuretano. Estructura de bandas de un semiconductor extrínseco con impurezas aceptaras (con defecto de electrones o exceso de huecos), llamado tipo p El hueco extra 7.- Describir la relación entre estructura electrónica y conductividad eléctrica de semiconductores extrínsecos. Los materiales extrínsecos tienen como relación un lugar donde se en cuenta los niveles de formación del material y su composición de cada uno de los semiconductores como puede ser un PNP o un NPN y se refiere a conductividad como la atracción que se tiene el material con otro con una facilidad de conductividad eléctrica. De este modo se pueden modificar las propiedades eléctricas: conductividad Para ello se procede al proceso de DOPADO: Un pequeño porcentaje de átomos del SC intrínseco se sustituye por átomos de otro elemento (impurezas o dopantes). Estas impurezas sustituyen a los átomos de Silicio en el cristal formando enlaces. De este modo podemos Favorecer la aparición de electrones (Semiconductores Tipo N: donde n > p) Favorecer la aparición de huecos (Semiconductores Tipo P: donde p>n).
8.- Describir el comportamiento de los semiconductores Tipo N y P. Semiconductor tipo N: Un semiconductor tipo N se obtiene añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para aumentar el número de portadores de cargas. Los átomos que se añaden son átomos pentavalentes (5 electrones en el orbital de valencia), como el arsénico, antimonio y el fósforo. El átomo pentavalente estará rodeado de cuatro átomos de silicio, que compartirán un electrón con el átomo central, pero en este caso quedará un electrón adicional. Como en el orbital de valencia sólo pueden situarse cuatro electrones, el electrón libre queda en un orbital mayor (orbital de conducción) por lo que se trata de un electrón libre. Como el número de electrones es mayor que el de huecos, los electrones reciben el nombre de portadores mayoritarios, y los huecos portadores minoritarios. Semiconductor tipo P: Se produce igual que en el caso anterior, pero añadiendo una impureza trivalente (átomos con tres electrones en la capa de valencia, como el aluminio, el boro o el galio). Cada uno de estos átomos comparte uno de sus electrones de valencia con la impureza. Así, tendremos siete electrones en el orbital de valencia, lo que significa que aparece un hueco en el orbital de valencia de cada átomo trivalente. A un átomo trivalente se él denomina también impureza aceptadora porque cada uno de los huecos que contribuye puede aceptar un electrón libre durante la recombinación. Ahora los huecos se denominan portadores mayoritarios , porque superan en número a los electrones libres y éstos se denominarán portadores minoritarios. 9.- Explicar el comportamiento de la unión semiconductora PN: Se denomina unión PN a la estructura fundamental de los componentes electrónicos comúnmente denominados semiconductores, principalmente diodos y transistores. Está formada por la unión metalúrgica de dos cristales, generalmente de silicio (Si), aunque también se fabrican de germanio (Ge), de naturalezas P y N según su composición a nivel atómico. Estos tipos de cristal se obtienen al dopar cristales de metal puro intencionadamente con impurezas, normalmente con algún otro metal o compuesto químico. Es la base del funcionamiento de la energía solar fotovoltaica.
SUBTEMA 2
Propiedades básicas de los semiconductores y su unión PN. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES SEMICONDUCTORES: Material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las
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). DESCRIBIR LAS ESTRUCTURAS BÁSICAS DE LAS UNIONES PN a) UNION NPN Y PNP: TRANSISTOR BJT El transistor NPN es un dispositivo electrónico que está compuesto por tres regiones semiconductores interconectadas N-P-N. Este elemento tiene por lo tanto tres pines de conexión. El transistor es bipolar. Las uniones PN o NP están compuestas por materiales semiconductor. Un material semiconductor puede funcionar como conductor y como aislante de acuerdo con la polarización eléctrica que se conecte. El transistor NPN tiene dos funciones básicas, ser un interruptor electrónico o un amplificador. Este tipo de transistor también se puede clasificar como BJT. El transitor NPN este compuesto por tres capas de materiales semiconductores, este arreglo es como un pastel de tres capas, Capa N-P-N. Estos materiales son cristales de silicio que se encuentran dopados de forma distinta. Cuando un cristal de material semiconductor, (Silicio o Germanio), se» dopa» con Boro, produce un cristal semiconductor con sólo 3 electrones disponibles de 4, por lo tanto, se genera un» hueco» eléctrico. En cambio, cuando el cristal es dopado con impurezas como arsénico, (el arsénico tiene 5 electrones en su última capa), el cristal se queda con un electrón de más. En resumen: El material o capa N – tiene un electrón de más. El material o capa P – le falta un electrón (hueco). NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en el que las letras "N" y "P" se refieren a la mayoría de los portadores de carga dentro de las diferentes
regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares se utilizan hoy son NPN, debido a de movilidad de electrones es superior a agujero de la movilidad en los semiconductores, permitiendo que las corrientes de mayor y más rápida operación. Transistores NPN consisten en una capa de P-dopados (semiconductores de la "base") entre dos capas N-dopada. Una pequeña corriente de entrada de la base en el modo de emisor común es amplificada en la salida del colector. En otros términos, un transistor NPN es "el" cuando se tira de su base de alto en relación con el emisor. La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección de la corriente convencional el flujo cuando el dispositivo está en modo de avance activo. Uno mnemotécnica dispositiva para identificar el símbolo del transistor NPN es "not pointing in, O "not pointing, no b) UNION AL, SIO3, JFET, MOSFET JFET Consiste en un canal de semiconductor tipo N o P dependiendo del tipo de JFET, con contactos óhmicos (no rectificadores) en cada extremo, llamados FUENTE y DRENADOR. A los lados del canal existen dos regiones de material semiconductor de diferente tipo al canal, conectados entre sí, formando el terminal de PUERTA. Los JFET se utilizan preferiblemente a los MOSFET en circuitos discretos. En el JFET de canal N, la unión puerta -canal, se encuentra polarizada en inversa, por lo que prácticamente no entra ninguna corriente a través del terminal de la puerta. El JFET tienes dos uniones n-p sin polarización, obteniéndose una región de empobrecimiento en cada unión similar al diodo MOSFET Se forma una placa de material tipo p a partir de una base de silicio y se conoce como substrato. En algunos casos, el sustrato se conecta internamente a la terminal de fuente. Muchos dispositivos individuales cuentan con una terminal adicional etiquetada SS La fuente y el drenaje están conectados mediante contactos metálicos a regiones tipo n dopadas vinculadas a un canal n El (SiO3) es un tipo de aislante conocido como dieléctrico, el cual establece campos eléctricos opuestos No hay una conexión eléctrica entre la terminal de compuerta y el canal de un MOSFET. La capa aislante de SiO3 en la construcción de un MOSFET es la responsable de la muy deseable alta impedancia de entrada del dispositivo. c) UNION PNPN: TIRISTORES El diodo Shockley es un diodo PNPN de cuatro capas con sólo dos terminales externas, como se muestra en la figura 1a con su símbolo gráfico. Las características del dispositivo son exactamente las mismas que para el SCR con IG _ 0. Como las características lo indican, el dispositivo está en “apagado” (representación de circuito
La aparición del superdiamagnetismo es debida a la capacidad del material de crear supercorrientes. Estas son corrientes de electrones que no disipan energía. De manera que se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía por generación de calor. Las corrientes crean el intenso campo magnético necesario para sustentar el efecto Meissner. Estas mismas corrientes permiten transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disipar energía. Estructura cristalina de los materiales superconductores
