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
Dins de la física de l'estat sòlid, els semiconductors (com els aïllants) es defineixen com a sòlids que a 0ºK, i sense altra excitació, en els que la banda energètica superior dels estats d'energia dels electrons està completament plena. La conducció elèctrica als sòlids només es dóna per mitjà 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 tèrmicament 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 valència a la de conducció depèn de l'energia que les separa, i és aquesta quantitat d'energia el que serveix com a criteri de divisió entre semiconductors i aïllants. Els semiconductors solen necessitar 1 eV d'energia, aproximadament, i els aïllants en solen necessitar una quantitat diverses vegades superior.
Quan els electrons són excitats des de la banda de valència a la de conducció a un semiconductor, ambdues bandes contribueixen a la conducció, perquè les dues queden incompletes. Els electrons que constitueixen 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 qual els semiconductors son útils en electrònica és 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 el que té forats addicionals és anomenat del tipus P.
Els dopants més comuns del tipus N per al silici són el fòsfor i l'arsènic. Vegeu com aquests dos elements pertanyen al grup V de la taula periòdica, mentre el silici és 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 altra banda, el dopant de tipus P més 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 seva 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 conductor substitut dels metalls.
[edita] Semiconductors intrínsecs i extrínsecs
Un semiconductor intrínsec és aquell prou pur perquè les impureses no afectin apreciablement el seu comportament elèctric. En aquest cas els portadors de càrrega es creen excitant els electrons de la banda de valència òpticament o tèrmicament. 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 flux de càrrega en la mateixa direcció, ja que presenten carregues oposades. El corrent produït pels electrons i els forats no ha de ser necessàriament igual a un semiconductor intrínsec, ja que tenen una massa efectiva diferent.
La concentració de portadors depèn altament de la temperatura. A baixa temperatura la banda de valència està completament plena, i el semiconductor es comporta com un aïllant. Si augmentem la temperatura, també augmenta el nombre de portadors i per tant la conductivitat. Aquest principi s'utilitza als termistors del tipus NTC, resistències que a major temperatura presenten menor resistència. Aquest comportament és contrari a la majoria de materials, que solen ser 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 és produir una abundància d'electrons portadors al material. Per ajudar a comprendre 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 antimoni), s'incorpora a la xarxa cristal·lina al 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 és major que el de forats a un semiconductor del tipus N. En aquest cas els electrons són 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 és crear un excés de forats. En l'exemple del silici, un àtom trivalent com el bor és introduït a la xarxa crital·lina. El resultat és que falta un electró en un dels quatre enllaços covalents. Per a enllaçar-se covalentment, l'àtom pot acceptar un electró de la capa de valència, i per tant apareix un forat. Aquests dopants es coneixen com a "receptors". Quan se n'afegeixen molts, el forats sobrepassen el nombre d'electrons excitats. Així doncs els forats són els portadors majoritaris, mentre que els electrons són els minoritaris, als semiconductors del tipus P. Els diamants blaus, que contenten bor, són un exemple d'un semiconductor natural del tipus P.
[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, el 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 el corrent elèctric no pot circular. La unió P-N es la base del component anomenat diode, que permet la circulació del corrent elèctric 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 cristall, més complex 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.
[edita] Elements químics semiconductors
Els elements químics semiconductors de la Taula periòdica dels elements s'indiquen a continuació.
| Element | Grup | Electrons a l'última capa |
|---|---|---|
| Cd | II B | 2 e- |
| Al, Ga, B, In | III A | 3 e- |
| Si, Ge | IV A | 4 e- |
| P, As, Sb | V A | 5 e- |
| Se, Te, (S) | VI A | 6 e- |
[edita] Enllaços externs
- Pàgina sobre semiconductors de Howstuffworks (anglès)
- Conceptes sobre semiconductors (anglès)
- Glossari (anglès)
- Bart Van Zeghbroeck. Principles of Semiconductor Devices, Universitat de Colorado. Llibre online. (anglès)
