Qué es un semiconductor – Propiedades de los 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 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. Las propiedades de los semiconductores están determinadas por la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción. Para entender qué es semiconductor, tenemos que definir estos términos.

Propiedades de los semiconductores.

Para comprender la diferencia entre metales , semiconductores y aisladores eléctricos , tenemos que definir los siguientes términos de la física de estado sólido:

• Banda de valencia . En física del estado sólido, la banda de valencia y la banda de conducción son las bandas más cercanas al nivel de Fermi y, por lo tanto, determinan la conductividad eléctrica del sólido. En aisladores eléctricos y semiconductores, la banda de valencia es el rango más alto de energías de electrones en el que los electrones están normalmente presentes a temperatura cero absoluta. Por ejemplo, un átomo de silicio tiene catorce electrones. En el estado fundamental, están dispuestos en la configuración electrónica [Ne] 3s ² 3p ² . De estos, cuatro son electrones de valencia, ocupando el orbital 3s y dos de los orbitales 3p. La distinción entre las bandas de valencia y conducción no tiene sentido en los metales, porque la conducción se produce en una o más bandas parcialmente rellenas que adquieren las propiedades de las bandas de valencia y conducción.
• Banda de conducción . En física del estado sólido, la banda de valencia y la banda de conducción son las bandas más cercanas al nivel de Fermi y, por lo tanto, determinan la conductividad eléctrica del sólido. En aisladores eléctricos y semiconductores, la banda de conducción es el rango más bajo de estados electrónicos vacantes . En un gráfico de la estructura de banda electrónica de un material, la banda de valencia se encuentra por debajo del nivel de Fermi, mientras que la banda de conducción se encuentra por encima de él. En los semiconductores, los electrones pueden alcanzar la banda de conducción, cuando están excitados , por ejemplo, por radiación ionizante (es decir, deben obtener una energía mayor que el _espacio E) Por ejemplo, el diamante es un semiconductor de intervalo de banda ancha ( _intervalo  E = 5,47 eV) con alto potencial como material de dispositivo electrónico en muchos dispositivos. 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. La distinción entre las bandas de valencia y conducción no tiene sentido en los metales, porque la conducción se produce en una o más bandas parcialmente rellenas que adquieren las propiedades de las bandas de valencia y conducción.
• Brecha de banda . En física de estado sólido, la brecha de energía o la brecha 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. Las brechas de banda son naturalmente diferentes para diferentes materiales. Por ejemplo, el diamante es un semiconductor de intervalo de banda ancha ( _intervalo  E = 5,47 eV) con alto potencial como material de dispositivo electrónico en muchos dispositivos. 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.
• Nivel Fermi . El término «nivel de Fermi» proviene de las estadísticas de Fermi-Dirac , que describe una distribución de partículas sobre estados de energía en sistemas que consisten en fermiones (electrones) que obedecen el principio de exclusión de Pauli . Como no pueden existir en estados de energía idénticos, el nivel de Fermi es el término utilizado para describir la parte superior de la colección de niveles de energía de electrones a temperatura cero absoluta . El nivel de Fermi es la superficie del mar de Fermi.en cero absoluto donde ningún electrón tendrá suficiente energía para elevarse por encima de la superficie. En metales, el nivel de Fermi se encuentra en la banda de conducción hipotética que da lugar a electrones de conducción libre. En semiconductores, la posición del nivel de Fermi está dentro del intervalo de banda, aproximadamente en el medio del intervalo de banda.
• Par de agujeros de electrones . En el semiconductor, los portadores de carga libre son electrones y agujeros de electrones (pares de electrones). 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 agujero) es la falta de un electrón en una posición donde uno podría existir en un átomoo enrejado atómico. Es uno de los dos tipos de portadores de carga que son responsables de crear corriente eléctrica en materiales semiconductores. Como en un átomo normal o en una red cristalina, la carga negativa de los electrones se equilibra con la carga positiva de los núcleos atómicos, la ausencia de un electrón deja una carga positiva neta en la ubicación del agujero. Los agujeros cargados positivamente pueden moverse de un átomo a otro en materiales semiconductores a medida que los electrones abandonan sus posiciones. Cuando un electrón se encuentra con un agujero, se recombinan y estos portadores libres desaparecen efectivamente. La recombinación significa que un electrón que ha sido excitado desde la banda de valencia a la banda de conducción vuelve al estado vacío en la banda de valencia, conocido como los agujeros.

La conductividad de un semiconductor se puede modelar en términos de la teoría de la banda de sólidos . El modelo de banda de un semiconductor sugiere que a temperaturas normales existe la posibilidad finita de que los electrones puedan alcanzar la banda de conducción y contribuir a la conducción eléctrica. En el semiconductor, los portadores de carga libre (pares de electrones) se crean por excitación de electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción. Esta excitación dejó un agujero en la banda de valencia que se comporta como carga positiva y se crea un par de electrones. Los agujeros a veces pueden ser confusos ya que no son partículas físicas como lo son los electrones, sino que son la ausencia de un electrón en un átomo. Los agujeros pueden moverse de un átomo a otro en materiales semiconductores a medida que los electrones abandonan sus posiciones.

Excitación de electrones en semiconductores

La energía para la excitación se puede obtener de diferentes maneras.

Excitación térmica

Los pares de agujeros de electrones también se generan constantemente a partir de energía térmica, en ausencia de cualquier fuente de energía externa. La excitación térmica no requiere ninguna otra forma de impulso de arranque. Este fenómeno ocurre también a temperatura ambiente. Es causada por impurezas, irregularidades en la estructura reticular o por dopante. Depende en gran medida del _espacio E (una distancia entre la valencia y la banda de conducción), de modo que para un _espacio E más bajoaumenta una cantidad de portadores de carga excitados térmicamente. Dado que la excitación térmica produce el ruido del detector, se requiere enfriamiento activo para algunos tipos de semiconductores (por ejemplo, germanio). Los detectores basados ​​en silicio tienen un ruido suficientemente bajo incluso a temperatura ambiente. Esto es causado por la gran brecha de banda de silicio (Egap = 1.12 eV), que nos permite operar el detector a temperatura ambiente, pero se prefiere enfriar para reducir el ruido.

Excitación óptica

Tenga en cuenta que la energía de un solo fotón de espectro de luz visible es comparable con estos espacios de banda. Los fotones de longitudes de onda de 700 nm a 400 nm tienen energías de 1.77 eV 3.10 eV. Como resultado, también la luz visible es capaz de excitar electrones a la banda de conducción. En realidad, este es el principio de los paneles fotovoltaicos que generan corriente eléctrica.

Excitación por radiación ionizante

Los electrones pueden alcanzar la banda de conducción, cuando son excitados por la radiación ionizante (es decir, deben obtener energía más alta que Egap). En general, las partículas cargadas pesadas transfieren energía principalmente mediante:

• Excitación. La partícula cargada puede transferir energía al átomo, elevando los electrones a niveles de energía más altos.
• Ionización La ionización puede ocurrir cuando la partícula cargada tiene suficiente energía para eliminar un electrón. Esto da como resultado una creación de pares de iones en la materia circundante.

Una variable conveniente que describe las propiedades de ionización del medio circundante es el poder de detención . La expresión clásica que describe la pérdida de energía específica se conoce como la fórmula Bethe . Para las partículas alfa y las partículas más pesadas, el poder de detención de la mayoría de los materiales es muy alto para las partículas cargadas pesadas y estas partículas tienen rangos muy cortos.

Además de estas interacciones, las partículas beta también pierden energía por el proceso radiactivo conocido como bremsstrahlung . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía y la radiación de desaceleración se conoce como bremsstrahlung («radiación de frenado») .

Los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente (a pesar de que son eléctricamente neutros) a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, pero la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa. Aunque se conoce una gran cantidad de posibles interacciones, existen tres mecanismos clave de interacción con la materia.

• Efecto fotoeléctrico
• Dispersión de Compton
• Producción en pareja

En todos los casos, una partícula de radiación ionizante deposita una parte de su energía a lo largo de su camino. La partícula que pasa a través del detector ioniza los átomos del semiconductor, produciendo los pares de electrones . Por ejemplo, el espesor típico del detector de silicio es de aproximadamente 300 µm, por lo que el número de pares de electrones generados por partículas ionizantes mínimas (MIP) que pasan perpendicularmente a través del detector es de aproximadamente 3.2 x 10 ⁴ . Este valor es menor en comparación con el número total de portadores libres en semiconductores intrínsecos de una superficie de 1 cm ² y el mismo grosor. Tenga en cuenta que una muestra de germanio puro a 20 ° C contiene aproximadamente 1.26 × 10 ²¹ átomos, pero también contiene 7.5 x 10 ¹¹electrones libres y 7.5 x 10 ¹¹ agujeros generados constantemente a partir de energía térmica . Como se puede ver, la relación señal / ruido (S / N) sería mínima. La adición de 0.001% de arsénico (una impureza) dona 10 ¹⁵ electrones libres adicionales en el mismo volumen y la conductividad eléctrica aumenta en un factor de 10,000. En material dopado, la relación señal / ruido (S / N) sería aún menor. El enfriamiento del semiconductor es una forma de reducir esta relación.

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 radiación de silicio. 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.