Semiconductor
De Viquipèdia
Un semiconductor és un material aïllant a molt baixa temperatura, però que presenta certa conductivitat elèctrica a temperatura ambient . No s'ha definit clarament com diferenciar un semiconductor i un aïllant, però es pot dir que un semiconductor es un aïllant amb la banda electrònica de conducció prou poblada a temperatura ambient.
Taula de continguts |
[edita] Física fonamental dels semiconductors
Dintre de la física de l'estat sòlid, els semiconductors (com els aïllants) es defineixen com a sòlids que a 0ºK, i sense altra excitacio, la banda energètica superior dels estats d'energia dels electrons està completament plena. La conducció elèctrica als sòlids només es dona per mitja d'electrons en capes electròniques incompletes, així doncs un semiconductor només pot conduir quan els electrons han estat excitats (tèrmicament, òpticament, ...) a capes incompletes.
A temperatura ambient, una part (molt petita, però no despreciable) dels electrons a un semiconductor han estat termicament excitats des de la banda de valència (completa a 0º K) fins a la capa de conducció (la banda justament superior). La facilitat amb la que els electrons poden ser excitats des de la capa de valencia a la de conducció depèn de l'energia que les separa, i es aquesta quantitat d'energia el que serveix com a divisòria entre semiconductors i aïllants. Els semiconductors solen presentar 1 eV d'energia, aproximadament, i els aïllants solen presentar una varies vegades superior.
Quan els electrons son excitats des de la banda de valència a la de conducció a un semiconductor, ambdues bandes contribueixen a la conducció, per que les dues queden incompletes. Els electrons que porten el corrent elèctric s'anomenen "electrons lliures", però se'ls coneix simplement com a "electrons" si el context ho permet. El estats d'energia lliures que queden a la capa de valència es coneixen com a "forats". Es pot demostrar que els forats es comporten quasi com a càrregues positives oposades als electrons, i es tracten a sovint com si realment tingueren existència física.
[edita] Dopatge dels semiconductors
Una de les principals raons per la que els semiconductors son útils en electrònica es que les seves propietats electròniques es poden controlar afegint-los impureses. Aquestes s'anomenen dopants, i afegeixen electrons o forats addicionals. Un semiconductor amb electrons de més es diu del tipus N, mentre que que al que te forats addicionals li diem del tipus P.
Els dopants més comuns del tipus N per al silici es el fòsfor i l'arsènic. Vegeu com aquests dos elements pertanyen al grup V de la taula periòdica, mentre el silici es del grup IV. Quan el silici es dopa amb àtoms d'arsènic o fòsfor, aquests substitueixen als àtoms de silici al cristall semiconductor, però com que tenen un electró de més, aquest te tendència a ocupar la banda de conducció. Per altre costat el dopant de tipus P mes utilitzat es el bor, del grup III, al que li falta un electró a la banda de valència, i per això contribueix amb forats addicionals.
Dopant intensament un semiconductor pot incrementar la seua conductivitat per un factor major que mil milions. Actualment als semiconductors s'utilitza el silici policristal·lí, una forma molt dopada de silici, com a substitut per als metalls com a conductor.
[edita] Semiconductors intrínsecs i extrínsecs
Un semiconductor intrínsec es aquell suficientment pur com per a que les impureses no afecten apreciablement el seu comportament elèctric. En aquest cas els portadors de càrrega es creen excitant els electrons de la banda de valència òpticament o térmicament. Així doncs hi ha el mateix nombre d'electrons i forats als semiconductors intrínsecs. Els electrons i els forats es traslladen en direccions oposades en presència d'un camp elèctric, però contribueixen al fluxe de càrrega en la mateixa direcció, ja que presenten carregues oposades. La corrent produïda per els electrons i els forats no ha de ser necessariament igual a un semiconductor intrínsec, ja que tenen una massa efectiva diferent.
La concentració de portadors es molt depenent de la temperatura. A baixa temperatura la banda de valència està completament plena, i el semiconductor es comporta com un aïllant. Si augmentem la temperadura, també augmenten el nombre de portadors i per tant la conductivitat. Aquest principi s'utilitza als termistors del tipus NTC, resistències depenents de la temperatura que a major temperatura presenten menor resistència. Aquest comportament es contrari a la majoria de materials, que solen se menys conductius a major temperatura.
Un semiconductor extrínsec es aquell que ha estat dopat amb impureses per a modificar el nombre i tipus de portadors de càrrega lliures.
[edita] Dopatge de tipus N
El propòsit del dopatge de tipus N es produir una abundància d'electrons portadors al material. Per a ajudar a comprendre-ho com s'aconsegueix el dopatge de tipus N, considerem el cas del silici. Els àtoms de silici tenen 4 electrons de valència, cadascun enllaçat covalentment amb uns dels 4 àtoms de silici veïns. Si un àtom amb cinc electrons de valència, com els del grup VI de la taula periòdica (fòsfor, arsènic o antomoni), s'incorporen a la xarxa cristal·lina en lloc d'un àtom de silici, aquest nou element també tindrà quatre enllaços covalents amb els àtoms de silici veïns i un electró sense enllaç. Aquest electró estarà molt dèbilment lligat a l'àtom i podrà ser fàcilment excitat a la banda de conducció. Com que l'excitació d'aquests electrons no implica la formació d'un forat, el nombre d'electrons es major que el de forats a un semiconductor del tipus N. En aquest cas els electrons son els portadors majoritaris de càrrega. A aquests elements del grup VI se'ls anomena "donants", pel fet que donen un electró.
[edita] Dopatge de tipus P
El propòsit del dopatge de tipus P es crear un excés de forats. En aquest cas el silici, un àtom trivalent com el bor es introduït a la xarxa crital·lina. el resultat es que falta un electró d'un dels quatre enllaços covalents. Per a completar la banda de valència, l'àtom pot acceptar un electró de la capa de valència, per a completar l'enllaç, i per tant apareix un forat. Aquests dopants es coneixen com a "receptors". Quan s'afegeixen molts d'ells, el forats sobrepassen el nombre d'electrons excitats. Així doncs els forats son els portadors majoritaris, mentre els electrons son els minoritaris, als semiconductors del tipus P. Els diamants blaus, que contenten bor, son un exemple d'un semiconductor del tipus P natural.
[edita] Unió P-N
Una unió P-N pot ser creada dopant regions pròximes d'un semiconductor amb dopants del tipus P i el tipus N. Si una tensió positiva s'aplica a la part de tipus P, els forats son empentats cap a la unió. Al mateix temps els electrons de la part de tipus N son atrets cap a la unió. Com hi ha una gran quantitat de portadors a la unió, la corrent pot circular al seu través. En canvi si revertim la tensió, els forats i electrons migren lluny de la unió, i aquesta es converteix en molt poc conductiva, i per tant la corrent elèctrica no pot circular. La unió P-N es la base del component anomenat diode, que permet la circulació de la corrent elèctrica sols en una direcció. Es pot crear una tercera zona de tipus P o tipus N, formant així tres zones, que corresponen als tres terminals del component conegut com a transistor bipolar d'unió o BJT (de l'anglès Bipolar Junction Transistor), que presenta dos estructures bàsiques: N-P-N o P-N-P.
[edita] Puresa i perfecció dels materials
Els semiconductors amb propietats electròniques assegurables son difícils de produir en masa per que la puresa química i la perfecció de l'estructura crital·lina no son realitzables. La presencia d'impureses en molt petita quantitat pot afectar en gran mesura a les propietats del semiconductor, per tant la puresa química que es requereix es molt alta. Les tècniques per aconseguir aquesta puresa inclouen el refinament zonal, on part d'un cristall sòlid es fos. Les impureses tenen tendència a concentrar-se a les regions foses, deixant el material sòlid més pur. Un alt nivell de perfecció al cristall es també necessari, ja que errors a l'estructura del cristall com dislocacions i macles, poden crear certs nivells d'energia entre la banda de valència i la de conducció, interferint amb les propietats electròniques del material. Errors com aquests son causa majoritària de defectes de fabricació. Quan més gran es el critall, més complexe es aconseguir la puresa que es requereix. Actualment els processos de producció en sèrie utilitzen cristalls de sis polsades de diametre (152.4 mm) que es fan créixer com a cilindres i es tallen en llesques.
