Propietats fisicoquímiques dels semiconductors

Estructura cristal·lina

Enllaç covalent

Bandes d’energia

La conducció

Semiconductors intrínsecs i extrínsecs

Propietats fisicoquímiques dels semiconductors

Els semiconductors són cossos que, a baixes temperatures són aïllants, però es converteixen en mals conductors a temperatura ambient.

CONDUCTOR

 

SEMICONDUCTOR

 

AÏLLANT

Coure

 

Silici

 

Mica

0,01786   W · mm 2 / m

 

2 · 10   9   W · mm 2 / m

 

10   20   W · mm 2 / m

El   silici   és un dels elements més abundants en la naturalesa i un dels més utilitzats com semiconductor en la construcció de components electrònics. Altres semiconductors emprats són el   germani   i en menor mesura el   seleni. També són semiconductors alguns compostos com l’arsenur de gal · li, el fosfur d’indi o el sulfur de plom.

A més, amb certes modificacions en la seva estructura cristal·lina, es pot millorar la capacitat dels semiconductors d’establir corrents elèctrics.

 

Estructura cristal·lina

Els àtoms estan formats per un nucli constituït per protons i neutrons que aporten la major part de la massa de l’àtom i una escorça formada per electrons de massa molt menor que giren entorn del nucli en òrbites circulars o el·líptiques molt allunyades del centre del nucli.

Els protons tenen càrrega positiva i atrauen els electrons de càrrega negativa que es mantenen allunyats per la força centrífuga del seu gir.

Els electrons només poden situar-se en certes òrbites cada vegada més allunyades del nucli i en cada òrbita només pot haver un cert nombre d’electrons.

Són d’especial rellevància els electrons que se situen en l’òrbita més allunyada, anomenats   electrons de valència.

Els àtoms són més   estables   quan la seva última capa o òrbita està completa o quan tenen   8 electrons en l’ultima capa.

 

Els àtoms amb l’ultima capa completa són molt estables i no cedeixen els seus electrons amb facilitat de manera que les substàncies constituïdes per aquest tipus d’àtoms són bons   aïllants.

Els àtoms amb només un o dos electrons en l’ultima capa tenen predisposició a perdre’ls. Atesa la mobilitat dels electrons en les substàncies formades per aquest tipus d’àtoms donen lloc a bons   conductors.

Enllaç covalent

Aquells àtoms que tenen menys de quatre electrons en l’ultima capa (incompleta), perden aquests electrons amb facilitat cedint-los a altres àtoms veïns. Així aconsegueixen que la seva última capa (penúltima en realitat) quedi completa.

Aquells àtoms que tenen més de quatre electrons en l’ultima capa (incompleta), tendeixen a guanyar els electrons que els falten per completar 8 en l’ultima capa, guanyant a altres àtoms veïns.

Quan un àtom cedeix electrons a un altre, tots dos queden carregats amb diferent polaritat (un per guanyar electrons i l’altre per perdre’ls) apareixent forces d’atracció que els mantenen units. És el   enllaç iònic.

Quan es troben àtoms amb quatre electrons en l’ultima capa, tenen igual tendència a guanyar quatre electrons que a perdre’ls i ho fan amb gran dificultat.

En aquest cas el que passa és que els àtoms comparteixen els seus electrons de valència, fent que cada àtom tingui 8 electrons en l’ultima capa, quatre propis i quatre d’àtoms veïns.

 

Es tracta del   enllaç covalent, que forma cristalls característics on cada àtom s’envolta de quatre àtoms iguals, compartint les seves quatre electrons, un amb cada àtom veí, al mateix temps que cada àtom veí comparteix un electró amb ell (i altres tres amb tres àtoms veïns ).

 

Bandes d’energia

En un àtom, els electrons es distribueixen en capes i a cada capa correspon una energia.

Per passar d’una capa a una altra l’electró ha d’adquirir una energia igual a la diferència d’energia entre les dues capes.

 

 

En un cos sòlid, les capes constitueixen bandes d’energia:

Banda prohibida:

Espai entre capes on l’electró no pot trobar.

Banda permesa:

Nivell d’energia corresponent a una capa on pot trobar l’electró.

Banda de valència:

Darrera banda d’energia ocupada per electrons a zero graus absoluts.

Banda de conducció:

Banda d’energia que segueix a la de valència i que a zero graus absoluts és buida.

 

La conducció

A una temperatura de zero graus absoluts, els electrons es troben en les bandes d’energia més baixes.

Si l’ultima banda d’energia, banda de valència, està completa, els electrons no poden desplaçar-se i donen lloc als aïllants.

Si la banda de valència està incompleta, la conducció és possible per desplaçament dels electrons donant lloc als conductors.

En el cas dels semiconductors, la banda de valència està completa, sent aïllants a baixes temperatures, però la banda prohibida fins a la següent banda d’energia, anomenada banda de conducció, és molt petita, l’ordre d’1 electró-volt. L’energia necessària per passar electrons de la banda de valència a la de conducció és petita i a temperatura ambient ja existeixen electrons en la banda de conducció i buits en la de valència, el que permet la conducció.

 

Semiconductors intrínsecs i extrínsecs

Els semiconductors són cossos com, per exemple, el seleni, el germani i el silici que en condicions normals són aïllants, però amb certes modificacions de la seva organització molecular es poden convertir en conductors.

El procediment més habitual per aconseguir consisteix a introduir en l’interior d’aquests materials substàncies amb una estructura atòmica determinada, procés que rep el nom de dopat.

Semiconductors intrínsecs

Són semiconductors intrínsecs aquells vidres que romanen purs. Un cristall de silici es considera intrínsec si només conté silici en la seva estructura.

El silici és un cos cristal·lí amb quatre electrons de valència que, per obtenir els 8 electrons de valència que fan estable a qualsevol cos, envolta cadascuna de les seves molècules d’altres quatre mitjançant enllaços covalents. En aquestes condicions, a temperatures properes al zero absolut ( -273 º C ) El silici és aïllant, ja que no existeixen en el seu si electrons lliures capaços d’establir un corrent elèctric.

 

No obstant això, l’energia necessària perquè un electró de l’ultima capa trenqui l’enllaç covalent i passi a un nivell d’energia superior és bastant petit, de l’ordre de   1 eV.

A temperatura ambient, alguns electrons s’alliberen passant a una banda d’energia superior.

Això converteix el silici en conductor, ja que aquests electrons es poden moure d’un àtom a un altre amb certa llibertat, creant un corrent elèctric que mitjançant la polarització del cristall pot orientar-se i mantenir-se.

Així mateix, el   buit   deixat per l’electró, pot ser omplert per un electró d’un àtom veí, passant el   buit   a aquest. Aquest efecte fa l’efecte d’un corrent de forats   o càrregues positives que es desplacen en direcció contrària als electrons.

 

A uns 20 º C el nombre d’electrons lliures que ha assolit la banda de conducció no és suficient per poder establir un corrent elèctric important, de manera que no se li pot considerar ni bon conductor ni bon aïllador. És per aquest motiu que a aquests cossos se’ls denomina semiconductors.

Semiconductors extrínsecs

Es coneixen així als vidres sotmesos a un procés que introdueix impureses d’altres elements en l’estructura cristal·lina del semiconductor, aconseguint augmentar el nombre d’electrons lliures i buits per augmentar la conductivitat del vidre.

 

Semiconductor tipus N

Quan en un cristall de silici amb 4 electrons de valència per àtom, s’introdueixen alguns àtoms d’antimoni, arsènic o bismut, que posseeixen 5 electrons de valència, es produeixen enllaços covalents incomplets donant lloc a càrregues negatives lliures a la plataforma.

A aquesta operació se l’anomena   dopat   i les impureses introduïdes augmenten considerablement la mobilitat electrònica del conjunt.

A aquestes impureses pentavalents se les anomena   donants.

 

En un semiconductor tipus   N   existeix un major nombre d’electrons lliures que de forats i el corrent està formada majoritàriament per electrons lliures, per això als electrons se’ls denomina   portadors majoritaris   i als buits   portadors minoritaris.

 

Semiconductor tipus P

Si al silici en estat pur se li introdueixen impureses que, com l’indi, l’alumini, el gal · li o el bor, només disposin de tres electrons de valència, l’enllaç covalent serà una altra vegada incomplet, quedant a la plataforma de buits positius sense omplir per un electró.

Al omplir aquests   buits   per electrons propers fa l’efecte de desplaçament del buit   com si fos una càrrega positiva mòbil.

El dopatge de tipus P també augmenta la conductivitat del vidre, tot i que la naturalesa del mateix sigui diferent.

 

A aquestes impureses pentavalents se les anomena   acceptors.

En un semiconductor tipus   P   existeix un major nombre de buits que d’electrons lliures i el corrent està formada majoritàriament per buits, per això als electrons se’ls denomina   portadors minoritaris   i als buits   portadors majoritaris.