¿Qué es el tipo de semiconductores? Definición

En general, los semiconductores son materiales, inorgánicos u orgánicos, que tienen la capacidad de controlar su conducción dependiendo de la estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes. El nombre semiconductor proviene del hecho de que estos materiales tienen una conductividad eléctrica entre la de un metal, como cobre, oro, etc. y un aislante, como el vidrio. Tienen una brecha de energía inferior a 4eV (aproximadamente 1eV). En física de estado sólido, este intervalo de energía o intervalo de banda es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción.donde los estados electrónicos están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (p. Ej., De la radiación ionizante) para atravesar el intervalo de banda y alcanzar la banda de conducción. Las propiedades de los semiconductores están determinadas por la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción.

Tipos de semiconductores

Materiales semiconductores

Existen muchos tipos de semiconductores en la naturaleza y otros sintetizados en laboratorios; sin embargo, los más conocidos son silicio (Si) y germanio (Ge).

Tipos de semiconductores:

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  Silicio. El silicio es un elemento químico con el número atómico 14, lo que significa que hay 14 protones y 14 electrones en la estructura atómica. El símbolo químico de Silicon es Si . El silicio es un sólido cristalino duro y quebradizo con un brillo metálico azul grisáceo, es un metaloide y semiconductor tetravalente. El silicio se usa principalmente para detectores de partículas cargadas (especialmente para el seguimiento de partículas cargadas) y detectores de rayos X blandos. La gran energía de banda prohibida (Egap = 1.12 eV) nos permite operar el detector a temperatura ambiente, pero se prefiere enfriar para reducir el ruido. Los detectores basados ​​en silicio son muy importantes en la física de alta energía. Dado que los detectores basados ​​en silicio son muy buenos para rastrear partículas cargadas, constituyen una parte sustancial del sistema de detección en el LHC en el CERN.

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  Germanio. El germanio es un elemento químico con número atómico 32, lo que significa que hay 32 protones y 32 electrones en la estructura atómica. El símbolo químico del germanio es Ge . El germanio es un metaloide lustroso, duro, de color blanco grisáceo en el grupo de carbono, químicamente similar a su grupo vecino de estaño y silicio. El germanio puro es un semiconductor con una apariencia similar al silicio elemental. El germanio se usa ampliamente para la espectroscopía de rayos gamma. En la espectroscopía gamma, se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción con los rayos gamma. El germanio se usa más que el silicio para la detección de radiación porque la energía promedio necesaria para crear un par de electrones es 3.6 eV para el silicio y 2.9 eV para el germanio, lo que proporciona a este último una mejor resolución en energía. Por otro lado, el germanio tiene una pequeña energía de banda prohibida ( _brecha E = 0.67 eV), que requiere operar el detector a temperaturas criogénicas.

• Diamante . El diamante es una forma sólida del elemento carbono con sus átomos dispuestos en una estructura cristalina llamada diamante cúbico. Los diamantes también son muy buenos aislantes eléctricos, lo que extrañamente es útil y problemático para los dispositivos eléctricos. El diamante es un semiconductor de banda ancha (Egap = 5.47 eV) con alto potencial como material de dispositivo electrónico en muchos dispositivos. Los detectores de diamantes tienen muchas similitudes con los detectores de silicio, pero se espera que ofrezcan ventajas significativas, en particular una alta dureza de radiación y corrientes de deriva muy bajas.
• CdTe y CdZnTe. El telururo de cadmio (CdTe) y el telururo de cadmio y zinc (CdZnTe) han sido considerados como materiales semiconductores prometedores para la detección de rayos X y rayos gamma. El alto número atómico y la alta densidad de estos materiales significan que pueden atenuar efectivamente los rayos X y los rayos gamma con energías superiores a 20 keV que los sensores tradicionales basados ​​en silicio no pueden detectar. Esto aumenta significativamente su eficiencia cuántica en comparación con el silicio. La gran energía de banda prohibida (Egap = 1.44 eV) nos permite operar el detector a temperatura ambiente. Por otro lado, una pérdida considerable de carga en estos detectores produce una resolución de energía reducida.

Semiconductor intrínseco – Semiconductor puro

Un semiconductor intrínseco es un semiconductor completamente puro sin ninguna especie dopante presente. Por lo tanto, los semiconductores intrínsecos también se conocen como semiconductores puros o semiconductores de tipo i.

Por lo tanto, el número de portadores de carga a cierta temperatura está determinado por las propiedades del material en lugar de la cantidad de impurezas. Tenga en cuenta que una muestra de 1 cm ³ de germanio puro a 20 ° C contiene aproximadamente 4.2 × 10 ²² átomos, pero también contiene aproximadamente 2.5 x 10 ¹³ electrones libres y 2.5 x 10 ¹³ agujeros. Estos portadores de carga se producen por excitación térmica. En semiconductores intrínsecos, la cantidad de electrones excitados y la cantidad de agujeros son iguales: n = p . Los electrones y los agujeros se crean por excitación de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Un agujero de electrones(a menudo simplemente llamado un agujero) es la falta de un electrón en una posición donde uno podría existir en un átomo o red atómica. Esta igualdad puede ser incluso el caso después de dopaje del semiconductor, aunque solo si está dopado con donantes y aceptadores por igual. En este caso, n = p aún se mantiene, y el semiconductor sigue siendo intrínseco, aunque dopado.

Los semiconductores tienen una brecha de energía inferior a 4eV (aproximadamente 1eV). Las brechas de banda son naturalmente diferentes para diferentes materiales. Por ejemplo, el diamante es un semiconductor de banda ancha (Egap = 5.47 eV) con alto potencial como material de dispositivo electrónico en muchos dispositivos. Por otro lado, el germanio tiene una energía de separación de banda pequeña ( _separación E = 0,67 eV), que requiere operar el detector a temperaturas criogénicas. En física del estado sólido, este intervalo de energía o intervalo de banda es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de electrones están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (por ejemplo, de la radiación ionizante) para atravesar el intervalo de banda y alcanzar la banda de conducción.

Sin embargo, los semiconductores intrínsecos no son muy útiles, ya que no son muy buenos aislantes ni muy buenos conductores. Sin embargo, una característica importante de los semiconductores es que su conductividad se puede aumentar y controlar dopando con impurezas y activando con campos eléctricos. Recuerde, una muestra de 1 cm ³ de germanio puro a 20 ° C contiene aproximadamente 4.2 × 10 ²² átomos, pero también contiene aproximadamente 2.5 x 10 ¹³ electrones libres y 2.5 x 10 ¹³ agujeros generados constantemente a partir de energía térmica. La absorción total de un fotón de 1 MeV produce alrededor de 3 x 10 ⁵ pares de electrones . Este valor es menor en comparación con el número total de operadores gratuitos en 1 cm ³Semiconductor intrínseco. Como se puede ver, la relación señal / ruido (S / N) sería mínima. La adición de 0.001% de arsénico (una impureza) dona 10 ¹⁷ electrones libres adicionales en el mismo volumen y la conductividad eléctrica se incrementa en un factor de 10,000. En material dopado, la relación señal / ruido (S / N) sería aún menor. Debido a que el germanio tiene un intervalo de banda relativamente bajo, estos detectores deben enfriarse para reducir la generación térmica de portadores de carga a un nivel aceptable. De lo contrario, el ruido inducido por la corriente de fuga destruye la resolución energética del detector. El dopaje y la compuerta mueven la banda de conducción o valencia mucho más cerca del nivel de Fermi, y aumentan en gran medida el número de estados parcialmente llenos.

Semiconductores extrínsecos – Semiconductores dopados

Un semiconductor extrínseco , o semiconductor dopado , es un semiconductor que se dopa intencionalmente con el fin de modular sus propiedades eléctricas, ópticas y estructurales. En el caso de detectores de semiconductores de radiación ionizante, el dopaje es la introducción intencional de impurezas en un semiconductor intrínseco con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Por lo tanto, los semiconductores intrínsecos también se conocen como semiconductores puros o semiconductores de tipo i.

La adición de un pequeño porcentaje de átomos extraños en la red cristalina regular de silicio o germanio produce cambios dramáticos en sus propiedades eléctricas, ya que estos átomos extraños incorporados en la estructura cristalina del semiconductor proporcionan portadores de carga libre (electrones o agujeros de electrones) en el semiconductor. En un semiconductor extrínseco, son estos átomos dopantes extraños en la red cristalina los que proporcionan principalmente los portadores de carga que transportan corriente eléctrica a través del cristal. En general, hay dos tipos de átomos dopantes que dan como resultado dos tipos de semiconductores extrínsecos. Estos dopantes que producen los cambios controlados deseados se clasifican como aceptores o donantes de electrones. y los semiconductores dopados correspondientes se conocen como:

• Semiconductores de tipo n.
• Semiconductores tipo p.

Los semiconductores extrínsecos son componentes de muchos dispositivos eléctricos comunes, así como de muchos detectores de radiación ionizante. Para estos fines, un diodo semiconductor (dispositivos que permiten la corriente en una sola dirección) generalmente consta de semiconductores tipo p y tipo n colocados en unión entre sí.

semiconductores de tipo n

Un semiconductor extrínseco que ha sido dopado con átomos donadores de electrones se llama semiconductor de tipo n, porque la mayoría de los portadores de carga en el cristal son electrones negativos. Como el silicio es un elemento tetravalente, la estructura cristalina normal contiene 4 enlaces covalentes de cuatro electrones de valencia. En el silicio, los dopantes más comunes son los elementos del grupo III y del grupo V. Los elementos del grupo V (pentavalente) tienen cinco electrones de valencia, lo que les permite actuar como donantes. Eso significa que la adición de estas impurezas pentavalentes como el arsénico, el antimonio o el fósforo contribuye a la formación de electrones libres, lo que aumenta en gran medida la conductividad del semiconductor intrínseco. Por ejemplo, un cristal de silicio dopado con boro (grupo III) crea un semiconductor de tipo p, mientras que un cristal dopado con fósforo (grupo V) da como resultado un semiconductor de tipo n.

Los electrones de conducción están completamente dominados por la cantidad de electrones donadores . Por lo tanto:

El número total de electrones de conducción es aproximadamente igual al número de sitios donantes, n≈N _D .

La neutralidad de carga del material semiconductor se mantiene porque los sitios donantes excitados equilibran los electrones de conducción. El resultado neto es que el número de electrones de conducción aumenta, mientras que el número de agujeros se reduce. El desequilibrio de la concentración del portador en las bandas respectivas se expresa por el número absoluto diferente de electrones y agujeros. Los electrones son portadores mayoritarios, mientras que los agujeros son portadores minoritarios en material de tipo n.

Semiconductores tipo p

Un semiconductor extrínseco que ha sido dopado con átomos aceptores de electrones se llama semiconductor de tipo p , porque la mayoría de los portadores de carga en el cristal son agujeros de electrones (portadores de carga positiva). El silicio semiconductor puro es un elemento tetravalente , la estructura cristalina normal contiene 4 enlaces covalentes de cuatro electrones de valencia. En el silicio, los dopantes más comunes son los elementos del grupo III y del grupo V.. Todos los elementos del grupo III (trivalentes) contienen tres electrones de valencia, lo que hace que funcionen como aceptores cuando se usan para dopar silicio. Cuando un átomo aceptor reemplaza a un átomo de silicio tetravalente en el cristal, se crea un estado vacante (un agujero de electrones). Un agujero de electrones (a menudo simplemente llamado agujero) es la falta de un electrón en una posición en la que uno podría existir en un átomo o en una red atómica. Es uno de los dos tipos de portadores de carga responsables de crear corriente eléctrica en materiales semiconductores. Estos agujeros cargados positivamente pueden moverse de un átomo a otro en materiales semiconductores a medida que los electrones abandonan sus posiciones. La adición de impurezas trivalentes como boro , aluminio o galio.a un semiconductor intrínseco crea estos agujeros de electrones positivos en la estructura. Por ejemplo, un cristal de silicio dopado con boro (grupo III) crea un semiconductor de tipo p, mientras que un cristal dopado con fósforo (grupo V) da como resultado un semiconductor de tipo n.

El número de agujeros de electrones está completamente dominado por el número de sitios aceptores. Por lo tanto:

El número total de orificios es aproximadamente igual al número de sitios donantes, p ≈ N _A .

La neutralidad de carga de este material semiconductor también se mantiene. El resultado neto es que aumenta el número de agujeros de electrones, mientras que se reduce el número de electrones de conducción. El desequilibrio de la concentración de portadores en las bandas respectivas se expresa por el número absoluto diferente de electrones y agujeros. Los agujeros de electrones son portadores mayoritarios , mientras que los electrones son portadores minoritarios en material tipo p.

La unión PN: unión sesgada inversa

El detector de semiconductores funciona mucho mejor como detector de radiación si se aplica un voltaje externo a través de la unión en la dirección de polarización inversa . La región de agotamiento funcionará como un detector de radiación. Se puede lograr una mejora mediante el uso de un voltaje de polarización inversa a la unión PN para agotar el detector de portadores libres, que es el principio de la mayoría de los detectores de semiconductores. La polarización inversa de una unión aumenta el grosor de la región de agotamiento porque se mejora la diferencia de potencial a través de la unión. Los detectores de germanio tienen una estructura pinen el que la región intrínseca (i) es sensible a la radiación ionizante, particularmente a los rayos X y los rayos gamma. Bajo polarización inversa, un campo eléctrico se extiende a través de la región intrínseca o agotada. En este caso, se aplica voltaje negativo al lado p y positivo al segundo. Los agujeros en la región p son atraídos desde la unión hacia el contacto p y de manera similar para los electrones y el contacto n. Esta carga, que es proporcional a la energía depositada en el detector por el fotón entrante, se convierte en un pulso de voltaje mediante un preamplificador sensible a la carga integral.

Ver también: detectores de germanio, MIRION Technologies. <disponible en: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.