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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TACHIRA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRONICA ELECTRONICA DEL ESTADO SÓLIDO

HECHO POR: Bracho Adelxcis EES_003

Su característica principal es la de conducir la corriente sólo bajo determinadas circunstancias, y evitar el paso de ella en otras. Es en este tipo de materiales en los que la electrónica de estado sólida está basada . Los semiconductores naturales son aquellos elementos perteneciente al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc), pero se puede obtener materiales semiconductores compuestos de los grupos III - V y II – VI. La estructura atómica de dichos materiales presenta una característica común: está formada por átomos tetravalentes (es decir, con cuatro electrones en su última órbita), por lo que les es fácil ganar cuatro o perder cuatro.

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Amorfos: Presentan un orden sólo a nivel molecular. Policristalinos: Tiene un orden sólo en regiones con tamaño y dirección diferentes. Cristalinos: Tienen un alto grado de orden y periodicidad geométrica.

•Red Cúbica Simple: formada por los vectores primitivos unitarios Ninguno de los semiconductores poseen esta estructura en la naturaleza.

•Cúbica Centrada en el Cuerpo (bcc): se genera al colocar un átomo en el centro del cubo que forma la red cúbica simple.

•Cúbica Centrada en la Cara (fcc): resulta al colocar un átomo en el centro de cada cara de la red simple.

Los semiconductores son cristales, Poseen 4 electrones de valencia los cuales se encuentran formando uniones covalentes con otros átomos vecinos para así formar un cristal, que es la forma que se los encuentra en la naturaleza. Las propiedades eléctricas del cristal dependen de: •La composición química. •El arreglo de los átomos en el cristal.

•Celda Unitaria: Pequeño volumen que se usa para reproducir el Cristal. •Celda Primitiva: Celda unitaria más pequeña que se repite para formar la estructura cristalina.

Pensemos en una estructura con dos átomos de base, es decir dos fcc entrelazadas. Si los átomos de base son idénticos, estamos en presencia de una Estructura de Diamante, donde se incluyen materiales como el Si, Ge, C, entre otros.

Si los átomos base son diferentes, hablamos de una estructura Blenda de Zinc o Zincblende, dentro de la cual se encuentran materiales como el GaAs, AlAs, CdS.

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Intercepción con los ejes a, b, c.

Plano (100)

Plano (110)

Plano (111)

Para poder identificar unívocamente un sistema de planos cristalográficos se les asigna un juego de tres números que reciben el nombre de índices de Miller. Los índices de un sistema de planos se indican genéricamente con las letras (h k l) Los índices de Miller son números enteros, que pueden ser negativos o positivos, y son primos entre sí. El signo negativo de un índice de Miller debe ser colocado sobre dicho número. Para obtener los índices de miller se deben seguir los siguientes pasos: • • •

Se determinan las intersecciones del plano con los ejes cristalográficos. Para poder determinarlas se utiliza como unidad de medida la magnitud del parámetro de red sobre cada eje. Se realizan los recíprocos de las intersecciones. Se determinan los enteros primos entre sí que cumplan con las mismas relaciones

Planos con distintos índices de Miller.

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Es la unión entre dos átomos para formar una entidad de orden superior, como una molécula o una estructura cristalina El silicio y el germanio forman enlaces covalentes, donde los electrones los comparten los átomos. Cada átomo de Silicio comparte sus cuatro electrones de valencia con los átomos vecinos. Formando una estructura cristalina de diamante.

Existen otros tipos de enlace como : • • •

Iónico. Metálico. Van de Walls.

•Ley Natural: La energía total de un sistema en equilibrio térmico tiende a alcanzar un mínimo. Dentro de esta encontramos las nociones de orden, interrelación y armonía.

Mecánica de Newton: La Física Clásica se encarga de predecir el movimiento de satélites y planetas. Mientras, por otro lado la física cuántica Predice el comportamiento de partículas y ondas electromagnéticas. • En los Semiconductores interesa el comportamiento del movimiento del electrón a través de la estructura cristalina. Para lo cual se emplea la mecánica ondulatoria mediante la Ecuación de Schrodinger.

Consiste en la emisión de electrones por un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). Los fotones tienen una energía característica determinada por la longitud de onda de la luz. Si un electrón absorbe energía de un fotón y tiene mayor energía que la necesaria para salir del material y que su velocidad está bien dirigida hacia la superficie, entonces el electrón puede ser extraído del material.

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Generación de electrones al incidir una luz monocromática sobre una superficie. De acuerdo a la Física clásica, si la intensidad de la Luz es suficiente para vencer la Función Trabajo, se emitirían electrones independiente de la frecuencia. Se Observa que depende de la frecuencia. No se generan electrones por debajo de una determinada frecuencia.

En este orden de ideas se presenta el postulado de Planck:

La radiación térmica emitida por una superficie caliente se emite en paquetes discretos llamados Cuantos de Energía. Dada por: E=hv. Siendo h la Constante de Planck con un valor h=6.625.exp(-34)Js. •

Por su parte Einstein hace lo propio con su postulado, donde dice que la energía de la luz está contenida en paquetes de energía llamados Fotones. E=hv.

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Función Trabajo: Mínima energía para remover un electrón de la estructura.

En este se establece que las partículas se comportan como andas y viceversa. Surgen entonces una serie de efectos y postulados como: • El Efecto Compton: donde – Un Rayo X incide sobre un Sólido. – Una parte de la radiación se refleja con otra frecuencia. – El ángulo de reflexión coincide con el esperado en la Coalición de Bolas de Billar. – En la colisión de rayos X con Electrones y Fotones se conserva la energía y el impulso. • Postulado de D´Broglie: – Principio de Dualidad Onda-Partícula: Las Ondas tienen comportamiento de Partículas y las Partículas de Ondas.

En el gráfico, se muestra el espectro electromagnético, apreciándose como la luz visible se encuentra en un rango de frecuencias q va de 10^15 a 10^14 Hz aproximadamente. Así como el hecho de que Las longitudes de onda son muy cortas comparadas con el rango del espectro de radio frecuencia.

Se basa en dos postulados, el primero de ellos: •Es que es imposible simultáneamente describir con precisión absoluta la posición y el impulso de una partícula Y el segundo: •Es que se torna imposible simultáneamente describir con precisión absoluta la energía de la partícula y el instante de tiempo para el cual la partícula adquiere esta energía.

Schrödinger formula la Mecánica Ondulatoria, incorporando: El principio del Cuanto de Energía. La dualidad Onda-partícula. Describe el movimiento del electrón dentro del Cristal. Todo esto a través de su ecuación:

“Ψ(x)”La Función de Onda, “V(x)”Función de Potencial, se asume independiente del tiempo, “m”es la masa de la partícula y “j“es la constante del número imaginario.

Implica que la energía total de la partícula solo puede tener valores discretos. La energía de la partícula está cuantizada. La cuantización de la energía de la partícula es contraria al resultado obtenido por la física clásica, donde la partícula debería tener valores continuos de energía

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Núcleo pesado, con un protón de carga positiva. Un electrón alrededor del núcleo, liviano, con carga negativa. La función potencial V(r) la genera la atracción de Coulomb entre protón y electrón. V(r) lleva a un problema tridimensional en coordinadas esféricas. La energía negativa de En indica que el electrón está unido al núcleo. La energía está cuantizada.

Función potencial Energía del electrón

El Spin del Electrón. Es el impulso angular intrínseco. Está cuantizado. Puede tomar uno de dos posibles valores. s=+1/2 o s=-1/2, en total son 4 números cuánticos: n, l. m. s. •El Principio de exclusión de Pauli indica que en un sistema dos electrónes no pueden ocupar el mismo estado cuántico.•Con la Ec. de Schrödinger y estos principios se construye la Tabla periódica.

Átomo de Hidrógeno de un electrón: •La energía del enlace está cuantizada. •Está sólo permitido valores discretos de energía para el electrón. •El electrón no se localiza a un radio fijo. El modelo del Cristal: – Se extrapola el resultado del electrón. – Se obtiene el concepto de: Banda Permitida. Banda Prohibida.

Las bandas de energía están formadas por niveles separados entre si, los cuales generan las bandas prohibidas y permitidas, siendo las primeras aquellas ubicadas entre niveles, es decir, la que separa un nivel de otro, y la permitida aquella que surge por la subdivisión del nivel .