Download Semiconductores

Conceptos básicos


Efecto fotovoltaico: conversión de luz en
electricidad.
Materia: constituida por átomos
Núcleo: carga eléctrica positiva y neutrones.
 Electrones: carga eléctrica negativa. Los electrones
de la última capa son electrones de valencia que al
unirse con otro forman redes cristalinas.

Átomo de Bohr (Rutherford)
Orbitales
Orbitales
Números Cuánticos
Tipos de materiales



Conductores: electrones de valencia poco
ligados al núcleo.
Semiconductores: electrones de valencia más
ligados al núcleo.
Aislantes: configuración muy estable.
Los materiales usados en las celdas solares son
los semiconductores.
Clasificación de los sólidos basado
en grado de orden atómico
Columna IV
II
II
I
V V
I
Metaloides (semiconductores)
Materiales Semiconductores
Clasificación General
Ejemplos Especificos
Semiconductores simples
Si, Ge
Compuestos III-V
AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaAs,
GaSb, InP, InAs, InSb
Compuestos II-VI
ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS,
CdSe, CdTe, HgS
Aleaciones
AlxGa1-xAs, GaAs1-xPx, Hg1-xCdxTe,
GaxIn1As1-yPy
Modelo de enlace en
semiconductores
Modelo 3D
Átomo único
Cada línea representa un electrón de
valencia compartido
Silicio
Modelo de Enlace
Cada círculo representa la estructura
interna del átomo semiconductor (Ej
Silicio)
-Enlace covalente
-Modelo válido a T= 0K
Representaciones en el modelo de
enlace
Representación de un
átomo faltante
Representación de la
liberación de un electrón
Estructura semiconductores


Materiales: Si, Ge, P, As.
Estructura del Si:



segundo elemento del planeta más abundante.
14 electrones y 14 protones, 4e- de valencia.
se presenta en la naturaleza de dos formas distintas, una amorfa y otra
cristalizada
Representaciones en modelo de
bandas
vacío
Ec
Ec
Ec
Ev
Ev
Ev
Completamente lleno
Sin portadores
Pérdida del electrón
Hueco resultante
Modelo simplificado de bandas de
energía
Ec
Ev
Y
Nivel de
Energía
X
Desplazamiento en el cristal
Ec: Mínima energía para pasar a la banda de conducción
Ev: Máxima energía para permanecer en la banda de valencia
*Diferencia de materiales: anchura de banda prohibida
Modelo de bandas para distintos
tipos de materiales
Muy
estrecha
Pocos electrones
Ec
amplia
Ec
Eg~8 eV (SiO2)
Eg~8 eV (Diamante)
Ev
Ec
Ev
Eg~1.42 eV (GaAs)
Eg~1.12 eV (Si)
Eg~ 0.66 eV (Ge)
Superpuesta
Ev
Ec
Ev
Aislantes
Semiconductores
Metales
Dopado: Dopantes comunes de
silicio
Donadores
Aceptadores
(elementos columna V)
(elementos columna III)
P
B
As
Ga
Sb
In
Al
Semiconductor Intrínseco

Celda elemental de Si:


se unen 5 átomos del material, enlace covalente.
no hay electrones libres, por lo cual se denomina conductor
intrínseco o “tipo I”.
Acción donadora y aceptadora
P+
Acción
donadora
B-
Acción
aceptadora
Semiconductor “tipo N”


Si incorporamos una
impureza, P (5 electrones
de valencia) habrá un
electrón libre.
El material tendrá exceso
de cargas negativas.
Semiconductor “tipo P”


Si incorporamos B (3
electrones de valencia)
aparecerá un hueco.
No se produce enlace
covalente y hay exceso
de cargas positivas.
La unión P-N
La unión P-N en equilibrio
-
-
-
-
-
-
-
-
Semiconductor tipo P
+
+
+
+
+
-
+
+
+
-
+
+
-
-
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo N
+
La unión P-N
La unión P-N en equilibrio
Barrera de Potencial
-
-
-
-
-
-
-
Semiconductor tipo P
+
-
-
+
+
+
+
-
+
+
+
-
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo N
+
Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de
carga espacial denominada ‘barrera de potencial’. Que actúa como una
barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.
La unión P-N
La unión P-N
La unión P-N polarizada inversamente
P
-
-
-
-
-
-
-
+
-
+
+
+
+
-
+
+
+
-
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay
circulación de corriente.
La unión P-N
La unión P-N polarizada en directa
P
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
+
+
-
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a
circular a partir de un cierto umbral de tensión directa.
La unión P-N
La unión P-N polarizada en directa
P
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
-
-
-
Concentración de huecos
+
+
+
+
+
-
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
+
Concentración de electrones
+
La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones
en la zona P disminuya al alejarse de la unión.
La unión P-N
Conclusiones:
Aplicando tensión inversa no hay conducción de corriente
Al aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación
de corriente eléctrica
P
N
DIODO SEMICONDUCTOR
Curva del diodo
ánodo
p
i [mA]
cátodo
1
Ge
n
A
K
Símbolo
Si
V [Volt.]
-0.25
0
0.25
0.5
Silicio
Germanio
 VKDTq 
I D  I S   e
 1


IS = Corriente Saturación Inversa
K = Cte. Boltzman
VD = Tensión diodo
q = carga del electrón
T = temperatura (ºK)
ID = Corriente diodo
FIN