Un semiconductor es un material sólido que tiene conductividad eléctrica entre el de un conductor y que de un aislador ; puede variar sobre esa amplia gama permanentemente o dinámicamente. Los semiconductores son enormemente importantes en tecnología. Los componentes electrónicos de los dispositivos de semiconductor hechos de los materiales del semiconductor, son esenciales en dispositivos eléctricos modernos. Los ejemplos se extienden de las computadoras a los teléfonos móviles a los jugadores audios de Digitaces que el silicio del se utiliza para crear la mayoría de los semiconductores comercialmente, pero las docenas de otros materiales se utilizan también.

Descripción

Los semiconductores son muy similares a los aisladores que diferencian las dos categorías de sólidos sobre todo en que los aisladores tienen &mdash más grande de los boquetes de venda ; energías que los electrones deben adquirir para estar libres de moverse desde el átomo al átomo. En semiconductores en la temperatura ambiente, apenas como en aisladores, muy pocos electrones ganan bastante energía termal para saltar el boquete de venda de la venda de la valencia a la venda de conducción, que es necesaria para que los electrones estén disponible para la conducción de la corriente eléctrica. Por esta razón, los semiconductores y los aisladores puros en la ausencia de campos eléctricos aplicados, tienen resistencia áspero similar. Los bandgaps más pequeños de semiconductores, sin embargo, permiten otros medios además de la temperatura de controlar sus características eléctricas.

Las características eléctricas intrínsecas de los semiconductores a menudo son modificadas permanentemente introduciendo impurezas por un proceso conocido como que dopa . Generalmente, es suficiente aproximar que cada átomo de la impureza agrega un electrón o un " hole" (un concepto que se discutirá más adelante) que puede fluir libremente. Sobre la adición de una proporción suficientemente grande de dopantes de la impureza, los semiconductores conducirán la electricidad casi tan bien como los metales . Dependiendo de la clase de impureza, una región dopada de semiconductor puede tener más electrones o agujeros, y se nombra el N-tipo o P-tipo material del semiconductor, respectivamente. Las ensambladuras entre las regiones de n y el P-tipo semiconductores crean los campos eléctricos que hacen electrones y los agujeros estar disponibles moverse lejos de ellos, y este efecto es crítico a la operación del dispositivo de semiconductor. También, una diferencia de la densidad en la cantidad de impurezas produce un pequeño campo eléctrico en la región que se utiliza para acelerar electrones o los agujeros del desequilibrio.

Además de la modificación permanente con el doping, la resistencia de semiconductores es modificada normalmente dinámicamente aplicando campos eléctricos. La capacidad de controlar resistencia/conductividad en regiones de material del semiconductor con el uso de campos eléctricos es dinámicamente la característica que hace los semiconductores útiles. Ha llevado al desarrollo de una gama amplia de dispositivos de semiconductor, como los transistores y los dispositivos de semiconductor de los diodos que tienen conductividad dinámicamente controlable, tal como transistores, son los bloques huecos de los dispositivos de los circuitos integrados como el microprocesador . Este " active" los dispositivos de semiconductor (transistores) se combinan con los componentes pasivos ejecutados del material del semiconductor tal como condensadores y resistores para producir los circuitos electrónicos completos.

En la mayoría de los semiconductores, cuando los electrones pierden bastante energía para caer de la venda de conducción a la venda de la valencia (los niveles de energía sobre y debajo del boquete de venda ), emiten a menudo el ligero, un quántum de energía en el espectro electromágnetico visible. Este proceso de la fotoemisión es la base del diodo electroluminoso (LED) y el laser del semiconductor, que son muy importantes comercialmente. Inversamente, la absorción del semiconductor de la luz en los fotodetectores excita electrones para moverse desde la venda de la valencia a la venda de conducción de una energía más alta, así facilitando la detección de luz y para variar con su intensidad. Esto es útil para las comunicaciones ópticas, y abastecimiento de fibra de la base para la energía de las células solares

Los semiconductores pueden ser materiales elementales tales como silicio y el germanio, o los semiconductores compuestos tal como arseniuro de galio y el fosfuro de indio, o las aleaciones tales como germanio del silicio o arseniuro de galio de aluminio .

Estructura de venda

considera también:

la estructura de venda electrónica

Hay tres maneras populares de describir la estructura electrónica de un cristal. El primer empieza con los solos átomos. Un átomo tiene niveles de energía discretos. Cuando vienen dos átomos cerca cada nivel de energía parten en un superior y un nivel inferior, por el que delocalize a través de los dos átomos. Con más átomos el número de niveles aumenta, y agrupa de vendas de la forma de los niveles. Los semiconductores contienen muchas vendas. Si hay una distancia grande entre el estado ocupado más alto y el espacio vacante más bajo, después seguirá habiendo un boquete probablemente entre las vendas ocupadas y vacantes incluso después la formación de la venda.

Comienzo el segundo de una manera con el de los electrones libres agita al descolorarse en un potencial electrostático debido a los corazones, debido a la reflexión de Bragg algunas ondas se reflejan y no pueden penetrar el bulto, de que son un boquete de venda se abren. En esta descripción no está claro, mientras que el número de electrones llena exactamente todos los estados debajo del boquete.

Comienzo tercer de una descripción con dos átomos. La fractura indica la forma un enlace covalente donde dos electrones con vuelta suben y la vuelta abajo está sobre todo entre los dos átomos. Agregando más átomos ahora se supone para no llevar a partir, pero a más enlaces. Ésta es la manera que el silicio se dibuja típicamente. El boquete de venda ahora es formado levantando un electrón del nivel más bajo del electrón en el nivel superior. Este nivel se sabe para ser anti-bonding, pero el silicio del bulto no se ha visto para perder los átomos tan fáciles como son los electrones el vagar con él. También este modelo es el más inadecuado explicar cómo en la heterounión calificada el boquete de venda puede variar suavemente.

Como en otros sólidos, los electrones en semiconductores pueden tener energías solamente dentro de ciertas vendas (IE. las gamas de niveles de energía) entre la energía del estado de tierra, correspondiendo a los electrones limitados firmemente a los núcleos atómicos del material, y la energía de electrón libre, que es la energía requirieron para que un electrón se escape enteramente del material. Las vendas de energía cada uno corresponden a una gran cantidad de estados de Quantum discretos de los electrones, y la mayor parte de los estados con energía baja (más cercano al núcleo) son llenos, hasta una venda particular llamada la venda de la valencia. Los semiconductores y los aisladores son distinguidos de los metales porque la venda de la valencia en los materiales del semiconductor es condiciones de funcionamiento generalmente inferiores casi completamente completas, así haciendo más electrones estar disponibles en la venda de conducción.

La facilidad con la cual los electrones en un semiconductor pueden ser emocionados de la venda de la valencia a la venda de conducción depende del boquete de venda entre las vendas, y de ella es el tamaño de este bandgap de la energía que sirva como línea divisoria arbitraria (eV de áspero 4 ) entre los semiconductores y los aisladores

Los electrones deben moverse entre los estados para conducir la corriente eléctrica, y así que debido a las vendas llenas del principio de exclusión de Pauli no contribuir a la conductividad eléctrica . Sin embargo, como la temperatura de un semiconductor se levanta sobre el cero absoluto, la gama de valores de la energía de los electrones en una venda dada se aumenta, y algunos electrones son probables ser encontrados adentro con los estados de energía de la venda de conducción del, que es la venda inmediatamente sobre la venda de la valencia. Los electrones actual-que llevan en la venda de conducción se conocen como " electrons" libre;, aunque a menudo simplemente se llamen " electrons" si el contexto permite que este uso esté claro.

Los electrones emocionados a la venda de conducción también se van detrás de los agujeros de electrón o los estados vacantes en la valencia congriegan. Los electrones de la venda de conducción y los agujeros de la venda de la valencia contribuyen a la conductividad eléctrica. Los agujeros ellos mismos no se mueven realmente, pero un electrón vecino puede moverse para llenar el agujero, dejando un agujero en el lugar que acaba de venir de, y de esta manera los agujeros aparecen moverse, y los agujeros se comportan como si fueran reales positivamente - partículas cargadas.

Un enlace covalente entre los átomos vecinos en el sólido es diez veces más fuerte que el atascamiento del solo electrón al átomo, así que liberar el electrón no implica la destrucción de la estructura cristalina.

La noción de los agujeros, que fue introducida para los semiconductores, se puede también aplicar a los metales donde el de las mentiras del nivel de Fermi dentro de la venda de conducción. Con la mayoría de los metales el de effecto hall revela electrones para ser las ondas portadoras, pero algunos metales tienen una venda de conducción sobre todo llenada, y el de effecto hall revela las ondas portadoras positivas, que no son los ion-corazones, solamente los agujeros. Poner en contraste esto con algunos conductores como soluciones de las sales o del plasma. En el caso de un metal, solamente una pequeña cantidad de energía es necesaria para que los electrones encuentren otros estados vacantes para trasladarse a, y por lo tanto para la corriente al flujo. A veces incluso en este caso puede ser dicho que un agujero fue dejado detrás, para explicar porqué el electrón no recurre a energías más bajas: No puede encontrar un agujero. En el extremo en la dispersión y defectos electrón-fonón de los materiales están las causas dominantes para la resistencia .

la distribución de la energía de los electrones determina cuáles de los estados se llenan y cuáles son vacíos. Esta distribución es descrita por las estadísticas de Fermi-Dirac. La distribución es caracterizada por la temperatura de los electrones, y la energía de Fermi o el nivel de Fermi del . Bajo condiciones cero absolutas la energía de Fermi puede ser pensada en mientras que se ocupa la energía hasta la cual el electrón disponible indica. En temperaturas más altas, la energía de Fermi es la energía en la cual la probabilidad de un estado que era ocupado ha caído a 0.

La dependencia de la distribución de la energía de electrón de la temperatura también explica porqué la conductividad de un semiconductor tiene una dependencia fuerte de la temperatura, pues un funcionamiento del semiconductor en temperaturas más bajas tendrá pocos electrones libres disponibles y agujerea capaz de hacer el trabajo.

dispersión del Energía-ímpetu

En la descripción precedente un hecho importante se no hace caso por simplicidad: la dispersión del de la energía. La razón que las energías de los estados están ensanchadas en una venda es que la energía depende del valor del vector de onda, o el k-vector del, del electrón. El k-vector, en mecánicos de quántum, es la representación del ímpetu de una partícula.

La relación de la dispersión determina la masa eficaz, $m^\; \{*\}$, de electrones o de agujeros en el semiconductor, según la fórmula:

$m^\; \{*\}\; =\; \backslash \; hbar^2\; \backslash \; cdot\; \backslash \; ido\; \{\{d^2\; E\; (k)\}\; \backslash \; encima\; \{d\; k^2\}\}\; \backslash \; right^\; \{-\; 1\}$

La masa eficaz es importante pues afecta a muchas de las características eléctricas del semiconductor, tales como la movilidad del electrón o del agujero, que alternadamente influencia la difusivadad de las ondas portadoras y la conductividad eléctrica del semiconductor.

Típicamente la masa eficaz de electrones y los agujeros son diferentes. Esto afecta al funcionamiento relativo del p-channel del y IGFETs del canal N del por ejemplo (1986:427 de la moleta y de Kamins).

La tapa de la venda de la valencia y la parte inferior de la venda de conducción no pudieron ocurrir en ese mismo valor de los materiales del K. con esta situación, tal como silicio y el germanio, se conoce como materiales indirectos del bandgap . Los materiales en los cuales los extremos de la venda se alinean en k, por ejemplo arseniuro de galio, se llaman los semiconductores directos del bandgap . Los semiconductores directos del boquete son particularmente importantes en optoelectrónica porque son mucho más eficientes como emisores ligeros que los materiales del boquete indirecto.

Generación y recombinación de portador

considera también:

la generación y de la recombinación de portador

Cuando la radiación de ionización pega un semiconductor, puede excitar un electrón fuera de su nivel de energía y por lo tanto dejar un agujero. Se sabe este proceso como '' generación de pares del electrón-agujero '' . los pares del Electrón-agujero se generan constantemente de la energía termal también, en la ausencia de cualquier fuente de energía externa.

los pares del Electrón-agujero son también convenientes recombinar. La conservación de la energía exige que estos acontecimientos de la recombinación, en los cuales un electrón pierde una cantidad de la energía más grande que el boquete de venda, sean acompañados por la emisión de la energía termal (bajo la forma de fonones ) o de la radiación (bajo la forma de fotones ).

En el de estado estacionario, la generación y la recombinación de los pares del electrón-agujero están en de contrapeso. El número de pares del electrón-agujero en el de estado estacionario en una temperatura dada es determinado por los mecánicos estadísticos de Quantum. Los mecanismos mecánicos del quántum exacto de la generación y de la recombinación son gobernados por la conservación de la energía y la conservación del ímpetu .

Como la probabilidad que los electrones y agujerean la reunión juntos son proporcionales al producto de sus cantidades, el producto están en casi constante de estado estacionario en una temperatura dada, proporcionando que no hay campo eléctrico significativo (que pudo " flush" los portadores de ambos tipos, o los mueven desde las regiones vecinas que contienen más de ellos para encontrarse juntos) o de la generación de pares externamente conducida. El producto es una función de la temperatura, como la probabilidad de conseguir bastante energía termal para producir aumentos de un par con temperatura, siendo aproximadamente 1/exp (boquete de venda/kT), donde está k constante de Boltzmann y T es temperatura absoluta.

La probabilidad de la reunión es aumentada en las trampas del portador - las impurezas o las dislocaciones que pueden atrapar un electrón o agujerearlo y sostener hasta que se termine un par. Tales trampas del portador se agregan a veces adrede para reducir el tiempo necesario para alcanzar el de estado estacionario.

Doping

considera también: que dopa (semiconductor) el

La característica de semiconductores que los hace los más útiles para construir los dispositivos electrónicos es que su conductividad puede ser modificada fácilmente introduciendo impurezas en su enrejado cristalino . El proceso de agregar impurezas controladas a un semiconductor se conoce como que dopa . La cantidad de impureza, o el dopante, agregado a un semiconductor (puro) intrínseco del varía su nivel de conductividad. Los semiconductores dopados se refieren a menudo como '' extrínseco ''.

Dopantes

Los materiales elegidos como dopantes convenientes dependen de las características atómicas del dopante y del material que se doparán. Los dopantes que producen los cambios controlados deseados se clasifican generalmente como aceptadores o donantes del electrón. Un átomo dispensador de aceite que activa (es decir, se incorpora en el enrejado cristalino) dona débil-limita electrones de la valencia al material, crear exceso de ondas portadoras negativas que estos débil-limitan electrones puede moverse alrededor en el enrejado cristalino relativamente libremente y puede facilitar la conducción en presencia de un campo eléctrico. (Los átomos dispensadores de aceite introducen algunos estados debajo, pero muy cerca al borde de venda de conducción. Los electrones en estos estados se pueden excitar fácilmente a la venda de conducción, a los electrones libres que se convierten, en la temperatura ambiente.) Inversamente, un aceptador activado produce un agujero. Los semiconductores doparon con las impurezas dispensadoras de aceite se llaman el n-tipo del, mientras que ésos dopados con las impurezas del aceptador se conocen como p-tipo del . El tipo designaciones de n y de p indica qué portador de carga actúa como el portador de mayoría del material . El portador opuesto se llama el portador de minoría, que existe debido a la excitación termal en una concentración mucho más baja comparada al portador de mayoría.

Por ejemplo, el silicio puro del semiconductor tiene cuatro electrones de la valencia. En silicio, los dopantes mas comunes son el grupo 13 IUPAC (conocido comúnmente como grupo del III ) y elementos del grupo 15 (conocido comúnmente como grupo del V ). Agrupar 13 elementos que todos contienen tres electrones de la valencia, haciéndolos funcionar como aceptadores cuando está utilizado para dopar el silicio. Los elementos del grupo 15 tienen cinco electrones de la valencia, que permite que actúen como donante. Por lo tanto, un cristal del silicio dopó con el boro crea un p-tipo semiconductor mientras que uno dopó con resultados del fósforo en un n-tipo material.

Concentración de portador

La concentración de dopante introducida a un semiconductor intrínseco determina su concentración y afecta indirectamente a muchas de sus características eléctricas. El factor más importante a que el doping directo afecta es la concentración de portador de material. En un semiconductor intrínseco bajo equilibrio termal, la concentración de electrones y los agujeros es equivalentes. Es decir, $n\; del$

l = p = n_i

Donde está la concentración $n$ de electrones que conducen, $p$ es la concentración de agujero de electrón, y $n\_i$ es la concentración de portador intrínseco del material. La concentración de portador intrínseco varía entre los materiales y es dependiente en temperatura. $n\_i$ del silicio, por ejemplo, es áspero 1.18× 10¹⁰ cm^-3 en 300 el Kelvins (temperatura ambiente).

Un aumento en el doping de la concentración produce generalmente un aumento en la conductividad debido a la concentración más alta de portadores disponibles para la conducción. (Muy alto) los semiconductores dopados tienen degeneradamente niveles de la conductividad comparables a los metales y son de uso frecuente en los circuitos integrados modernos como reemplazo para el metal. A menudo el exponente más y menos símbolos se utiliza para denotar la concentración de doping relativa en semiconductores. Por ejemplo, $n^+$ denota un n-tipo semiconductor con un colmo, a menudo degenerado, dopando la concentración. Semejantemente, $p^-$ indicaría un p-tipo muy ligeramente dopado material. Es útil observar que incluso los niveles degenerados de doping implican concentraciones bajas de impurezas con respecto al semiconductor bajo. En silicio intrínseco cristalino, hay aproximadamente 5× 10²² atoms/cm ³. El doping de la concentración para los semiconductores del silicio puede extenderse dondequiera de 10¹³ cm^-3 a 10¹⁸ cm^-3. Dopando la concentración sobre alrededor 10¹⁸ cm^-3 se considera degenerado en la temperatura ambiente. El silicio degeneradamente dopado contiene una proporción de impureza al silicio en la orden de partes por mil. Esta proporción se puede reducir a las partes por mil millones en silicio muy ligeramente dopado. Los valores típicos de la concentración bajan en alguna parte en esta gama y se adaptan para producir las características deseadas en el dispositivo que el semiconductor está pensado para.

Efecto sobre la estructura de venda

El doping de un cristal del semiconductor introduce estados de energía permitidos dentro del boquete de venda pero muy cerca a la venda de energía que corresponde con el tipo del dopante. Es decir las impurezas dispensadoras de aceite crean estados cerca de la venda de conducción mientras que los aceptadores crean estados cerca de la venda de la valencia. El boquete entre estos estados de energía y la venda de energía más cercana se refiere como energía de vinculación del dopante-sitio o $E\_B$ y es generalmente relativamente pequeño. Por ejemplo, el $E\_B$ para el boro en bulto del silicio es 0.045 eV, comparados con el boquete de venda del silicio del eV cerca de 1. Porque $E\_B$ es tan pequeño, toma poca energía para ionizar los átomos del dopante y para crear los portadores libres en las vendas de la conducción o de la valencia. La energía termal disponible en la temperatura ambiente es generalmente suficiente ionizar la mayor parte de el dopante.

Los dopantes también tienen el efecto importante de cambiar de puesto el nivel de Fermi del material hacia la venda de energía que corresponde con el dopante con la concentración más grande. Puesto que el nivel de Fermi debe seguir siendo constante en un sistema en el equilibrio termodinámico, el amontonamiento de capas de materiales con diversas características lleva a muchas características eléctricas útiles. Por ejemplo, características de s de la ensambladura P-n el las 'son debido al doblez de la venda de energía que sucede como resultado de alinearse los niveles de Fermi en regiones que entran en contacto con de p-tipo y de n-tipo material.

Este efecto se demuestra en un diagrama de la venda. El diagrama de la venda indica típicamente la variación en los bordes de la venda de la valencia y de venda de conducción contra una cierta dimensión espacial, a menudo denotado x . La energía de Fermi también se indica generalmente en el diagrama. A veces se demuestra la energía de Fermi intrínseca del, el E_i, que es el nivel de Fermi en la ausencia de doping. Estos diagramas son útiles en la explicación de la operación de muchas clases de los dispositivos de semiconductor

Preparación de los materiales del semiconductor

Los semiconductores con las características electrónicas fiables, confiables son necesarios para la producción en masa . El nivel de pureza química necesario es extremadamente alto porque la presencia de impurezas incluso en proporciones muy pequeñas puede tener efectos grandes en las características del material. Un alto nivel de perfección cristalina también se requiere, desde averías en la estructura cristalina (tal como de las dislocaciones hermana, y las averías de amontonamiento ) interferir con las características semiconductoras del material. Las averías cristalinas son una causa importante de los dispositivos de semiconductor defectuosos. Cuanto más grande es el cristal, más difícil es alcanzar la perfección necesaria. Los procesos actuales de la producción en masa utilizan los lingotes cristalinos entre cuatro y doce pulgadas (300 milímetros) en diámetro que se crezcan como cilindros y se rebanen en las obleas

Debido a el nivel required de pureza química y la perfección de la estructura cristalina que son necesaria hacer los dispositivos de semiconductor, los métodos especiales se han desarrollado para producir el material inicial del semiconductor. Una técnica para alcanzar pureza elevada incluye el crecimiento del cristal usar el Czochralski de proceso. Un paso adicional que se puede utilizar a la pureza del aumento posterior se conoce como refinamiento de la zona. En el refinamiento de la zona, la parte de un cristal sólido se derrite. Las impurezas tienden a concentrar en la región derretida, mientras que el material deseado recrystalizes dejando el material sólido más puro y con pocas averías cristalinas.

En los dispositivos de semiconductor de la fabricación que implican las heterouniones entre diversos materiales del semiconductor, el enrejado constante, que es la longitud del elemento de repetición de la estructura cristalina, es importante para determinar la compatibilidad de materiales.

Ver también

style=" del
Masa eficaz
Estructura de venda electrónica
Ondas de Bloch
modelo Apretado-obligatorio
Movilidad de electrón
Excitón
Fabricación del dispositivo de semiconductor
Lista de los materiales del semiconductor
Industria del semiconductor
Quantum que hace un túnel
Dispositivo de semiconductor
Química de estado sólido
Spintronics
Semiconductores anchos del bandgap