top of page
Tipus de semiconductors
Gràcies a la vasta investigació que s'ha pogut dur a terme en l'àmbit dels semiconductors, principalment per raons econòmiques, s'han descobert varis tipus de semiconductors que, malgrat les seves diferències en l'estructuren, comparteixen les mateixes propietats.
1 Elements semiconductors
Els elements semiconductors són formats únicament pel mateix element. No obstant, cal discriminar i diferenciar aquests elements de la resta, donat que necessiten complir una condició clau: i és que l’element en qüestió ha de tenir 4 electrons en la capa de valència, és a dir, en l’últim nivell segons la seva distribució electrònica.
Aquest fet només es compleix per aquells elements amb distribució a l’últim nivell: ns2 np2, la qual és pròpia d’elements exclusivament del Grup 14, compost per carboni, silici, germani, estany, plom i flerovi.
De totes maneres, el carboni, com ja havia estat analitzat, no és un semiconductor, sinó un aïllant.
La diferència, tanmateix, rau en el nivell, essent 2s22p2, pel carboni i 3s23p2 pel silici. Aquest nivell, entre altres coses, ens dona entendre que la seva posició relativa respecte el nucli d’aquests electrons és molt més llunyana en el cas del silici i pròxima en el cas del carboni. D’aquest raonament podem trobar com, i donat que les energies d’orbitals són menors a mesura que ens allunyem del nucli, la diferència entre la banda de conductivitat i la banda de valència serà menor, d’aquí que puguem assolir una energia de bretxa menor i, per tant, semiconductivitat.
A més a més, si seguim amb aquesta deducció, podem comprovar si, les diferencies entre les bretxes energètiques del silici i el germani, el qual troba els 4 electrons de valència al següent nivell: 4s2 4p2; segueixen aquest patró i llavors la del germani és menor:
I, predit d’una manera teòrica i lògica, trobem com els resultats experimentals ho confirmen.
Cal afegir que, a mesura que augmentem el nivell, i ja arribem al plom i al flerovi, les seves bretxes energètiques ja són de 0, de manera que ja no són considerades ni pertanyen al grup dels semiconductors.
2 Compostos semiconductors
Com molt bé es defineixen a sí mateixos pel seu nom, els semiconductors compostos són aquells materials amb les mateixes propietats que un semiconductor formats per dos o més elements, trobant així compostos binaris, ternaris, quaternaris i més fins i tot.
Aquests elements, tot i no tenir els electrons de valència demanats, mitjançant l’enllaç amb altres elements d’altres grups poden assolir aquest estat de semiconductors.
L’exemple més clar i representatiu és el del l’arsenur de gal·li, GaAs. Aquest compost binari 1 a 1 és format pels grups 13 i 15, respectivament. D’aquesta manera, el compost en la seva totalitat pot equilibrar-se i tenir els 4 electrons de valència com els que tindria el germani o el silici de per sí sols.
Com aquest cas particular, molts altres compostos poden assolir el mateix estat de semiconductor i, fins i tot i depenent dels elements en qüestió, millorar-ne les propietats fotovoltaiques i conductives, tot reduint la bretxa energètica entre bandes, com els mostrats a la taula anterior.
Aquests materials van ser àmpliament investigats i duts a terme per l’empresa Sumitomo electric, la qual, dintre els seu vast rang d’activitats industrials, va liderar i actualment lidera el mercat i la producció de semiconductors compostos, essent la primera empresa en produir en massa el material.
Per altra banda, i encara dins dels compostos semiconductors, existeix una subcategoria d’aquests molt interessant d’analitzar: els semiconductors orgànics.
2.1 Semiconductors orgànics
Els semiconductors orgànics són, senzillament, compostos orgànics que, gràcies a la seva estructura, presenten les qualitats d’un semiconductor.
L’any 2000, el grup de treballadors formats per Alan Heeger, Alan MacDiarmid i Hideki Shirakawa van ser guardonats amb el Premi Nobel en química “pel descobriment i desenvolupament dels polímers conductors”, encara que aquest només va ser la culminació del seu treball, el qual començava el 1977 amb el descobriment del primer polímer conductor.
Actualment, encara que s’ha progressat amb el desenvolupament de tecnologies, aquestes no s’han localitzat en gran nombre en la producció de semiconductors orgànics, fet que explica la falta de presència al nostre dia a dia. Tot i així, els semiconductors orgànics han anat agafant pes i més endavant, quan la seva necessitat sigui més que evident, seran implementats donades les seves qualitats.
Tanmateix, degut a l’extensa quantitat d’informació i recerca que suposaria el tractar els compostos orgànics, així com les seves aplicacions conductors, (doncs tesis doctorals senceres parlen únicament d’aquest àmbit en profunditat) es requeriria d’un nou treball de recerca i un altre any d’investigacions per a poder analitzar aquest punt particular pròpiament, ja que, al no tractar-se d’un compost orgànic, la Teoria de bandes per a sòlids no és aplicable i s’empren altres models que en permeten la comprensió a nivell elemental.
Per una altra banda, la classificació dels semiconductors no acaba aquí, sinó que existeix un altre criteri a afegir a l’anterior per completar la classificació.
Segons aquest criteri, els semiconductors poden ser intrínsecs o extrínsecs.
3 Semiconductors intrínsecs
Aquest tipus de semiconductors és del que s’ha estat parlant en la totalitat del treball. Aquests són definits essencialment com aquells materials, elements o compostos, que presenten les propietats anteriorment descrites, essent totalment purs.
Aquest materials, per tal de presentar conductivitat, t necessiten d’una font d’energia que alimenti el sistema i permeti la promoció d’electrons a la banda de conductivitat tot saltant la bretxa energètica, segons les funcions de Fermi i de densitat d’estats energètics presenten.
D’aquesta manera, si volem quantificar i expressar la conductivitat, per tant la densitat de corrent dels semiconductors intrínsecs:
On J és la densitat de corrent elèctric total, Je la d’electrons i Jf la de forats; e la càrrega elemental de l’electró, inversa de la dels forats, que ja que viatgen en sentits oposats s’acaba anul·lant, ne i nf els respectius nombre d’electrons i forats, els quals són els mateixos en el cas d’un semiconductor intrínsec; i on ve la velocitat de desplaçament dels electrons (velocitat mitjana) i on vf la velocitat mitjana dels forats.
I tenint en compte els respectius termes de la mobilitat dels electrons i els forats són:
Podem refer l’expressió per a un semiconductor intrínsec, on
On hi trobem la conductivitat del material multiplicant el camp elèctric E i el terme n referent al nombre de càrregues es pot extreure de la població d’electrons anteriorment analitzada.
Tot i que al llarg del treball aquests han semblat, únicament, els semiconductors que revolucionaven la indústria de l’electrònica, que permetien tants i tant productius efectes, la veritat és que en cap moment varen ser els protagonistes, sinó els descrits en el punt següent.
4 Semiconductors extrínsecs
Els materials semiconductors descrits fins el moment, on s’inclouen els elements i els compostos semiconductors, han estat descrits segons la Teoria de bandes per a sòlids tot seguint l’exemple que el silici marcava, però cal afegir un nou concepte per tal de poder entendre aquesta nova classificació: el dopatge.
El dopatge, dintre l’àmbit de la física de l’estat sòlid, és l’acció de dotar a un material d’una impuresa localitzada i en molt baixa proporció. Aquest procés, el qual es detallarà i profunditzarà a continuació, és el que ha permès l’alçament i ús tant popularitzat dels semiconductors.
Si prenem l’exemple del silici pur, hem observat que quant aquest assoleix una certa temperatura se’ls permet a alguns electrons ésser alliberats i permetre la conducció. A més a més, com ja s’ha vist, la promoció d’aquests electrons també causa un segon efecte, la creació d’un forat. Aquest, carregat positivament, és un element que també contribueix a la conductivitat del material.
Amb aquest exemple, resulta obvi que si afegíssim electrons lliures podríem augmentar la conductivitat del conjunt. Per l’altra banda, si observem que els forats també col·laboren en aquest fenomen, afegir-ne també milloraria la conductivitat.
Aquestes són les bases a tenir en compte per als dos tipus de dopatge: tipus n i tipus p.
4.1 Semiconductors extrínsecs amb dopatge tipus n
Tipus n de negatiu és el dopatge que busca l’augment de la conductivitat d’un semiconductor mitjançant l’aplicació d’un cert nombre d’impureses per part, les quals augmentaran el nombre d’electrons lliures.
Aquest dopatge, com a conseqüència, augmenta la conductivitat en general però sobretot a baixes temperatures, on el semiconductor en sí no permetria el corrent per falta d’energia per promoure electrons.
A nivell analític, el dopatge de tipus n consisteix a afegir, dintre l’estructura d’un semiconductor intrínsec, una impuresa que s’adapti a la xarxa però amb un electró sobrant, el qual és promogut i forma llavors part de la conductivitat. Això s’aconsegueix amb una impuresa localitzada al Grup 15 en la taula periòdica.
Un exemple clar és l’ús d’antimoni com a impuresa en un semiconductor intrínsec de silici.
Si n’analitzem les corresponents estructures atòmiques:
-
Silici: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
-
Antimoni: 1s2 2 s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p3 5s2 4d10 5p3.
Malgrat la clara diferència en l’extensió de les distribucions electròniques, l’únic element important per a la formació d’enllaços és la capa de valència, la qual és, en el cas de l’antimoni 5, i del silici, 4.
Aquest fet li permet a l’antimoni, si la seva concentració en l’estructura és prou baixa, substituir un àtom de silici en la seva posició, enllaçar-se amb el seu voltant de la mateixa manera que ho faria un àtom dels semiconductor intrínsec, i permetre la promoció de l’electró sobrant, tal i com es mostra a la imatge.
No obstant, encara que un electró sigui alliberat, no deixa de ser un efecte additiu, extra, al semiconductor en conjunt, doncs aquest segueix comportant-se de la mateixa manera i creant forats alhora que promou electrons amb l’augment de temperatura.
Si intentem quantificar els efectes d’aquest dopatge, podem observar en un altre cas, ara del germani i l’arsènic, també molt utilitzats, les següents propietats:
Prenguem com a mostra 1cm3 de germani d’alta puresa. Prenguem també una mostra ideal, en el que la puresa és absoluta. Si aquest és el cas, podríem estar parlant dels semiconductors que fins el moment han estat treballats. D’aquesta manera, si tenim en compte que en aquest cm3 hi trobaríem de l’ordre de 10^(22) àtoms, podem intentar aplicar la funció de Fermi i trobar la quantitat d’electrons promoguts a temperatura ambient, 273 K. Utilitzant el geogebra com a calculadora gràfica, i inserint-hi els valors donats, i tenint en compte que l’energia de bretxa per al germani és de 0.66, podem observar com el nombre d’electrons que aporten conductivitat assoleix l’ordre de 10^17.
Tanmateix, si el material consta d’una impuresa d’arsènic del 0.001%, o de 10 ppm, aquest donaria 1017 electrons lliures, contribuint amb aquests valors a la conductivitat, la qual no requeriria de 273 K, sinó que ja de per sí aportaria conductivitat.
És interessant observar la relació entre la temperatura i la població electrònica, ja que entre aquests no existeix una relació de proporcionalitat directe 1 a 1, sinó que, i si prenem l’expressió aproximada de la població electrònica:
Observem que la seva presència no només permet una relació de proporcionalitat elevada a 3/2 sinó que també juga un paper crucial en la funció exponencial.
Observant els resultats, podem apreciar com l’augment d’uns pocs graus en la temperatura ocasiona canvis d’ordre de magnitud sencers, un resultat a tenir en compte.
Reprenent l’anàlisi de la població electrònica, en aquest cas, si volguéssim fer els mateixos càlculs que en el cas anterior, s’hauria de tenir en compte que el nombre d’electrons lliures i el nombre de forats és diferent, essent el primer major que el segon.
En aquest cas, els portadors majoritaris de la conducció serien els electrons, mentre que els forats són els portadors minoritaris.
Continuant amb la terminologia, l’agent dopant seria anomenat material donant, donant d’electrons.
4.2 Semiconductors extrínsecs amb dopatge tipus p
De manera contrària als tipus n, un semiconuctor amb dopatge tipus p, positiu, és el resultat d’afegir un cert nombre d’impureses a un semiconductor intrínsic de tal manera que el nombre de forats del material en qüestió , els quals tenen càrregues positives, es veu augmentat. Com a resultat, a més a més d’un augment en la conductivitat, el material en qüestió, a 0 K gaudirà de certa conductivitat, doncs no partirà d’un estat neutre, sinó ja alterat.
Per tal d’aconseguir aquest objectiu, al semiconductor intrínsic se li ha d’afegir una certa impuresa, en aquest cas, del Grup 13. D’aquesta manera, i tenint en compte que estem parlant d’una impuresa molt minoritària dintre el conjunt, els diferents àtoms del Grup 13 podran introduirse a la xarxa del material intrínsec i, al mancar d’un electró per a completar tots els enllaços, ja disposem del forat.
Un exemple d’aquest tipus de dopatge és el semiconductor intrínsec silici amb impureses de bor. Si primer n’analitzem les distribucions electròniques:
-
Silici: 1s2 2 s2 2p6 3s2 3p2
-
Bor: 1s2 2 s2 2p1
De la mateixa manera que en el cas anterior amb els dopatges de tipus n, la banda de valència és l’única que ens interessa, i podem observar com tenen la mateixa a excepció de l’electró que falta en el bor. Aquest és el causant de l’augment de la conductivitat inicial.
En aquest tipus de dopatge, els portadors majoritaris a la conductivitat són els forats mentre que, els portadors minoritaris, els electrons. També cal remarcar que el bor, o qualsevol altre material que portés les impureses a la mescla en aquest tipus de dopatge, és el material acceptor.
Finalment, cal contemplar un últim tipus de dopatge, aquell que converteix els semiconductors intrínsecs en degenerats.
4.3 Semiconductors degenerats
Els semiconductors intrínsec, després d’haver passat tot un procés de dopatge, esdevenen semiconductors degenerats en el cas que hagin resultat excessivament dopats i han perdut les propietats dels semiconductors, comportant-se com a resultat com conductors.
A nivell atòmic, el que succeeix és que les impureses no han substituït els àtoms del semiconductor intrínsec i n’han deformat l’estructura que aquest presentava inicialment, tot creant un nou material i deixant de banda el del qual procedien.
Aquest resultat es dona quan les impureses dopades, ja siguin de tipus p o n, al semiconductor intrínsec, superen una certa concentració i en deformen les propietats tan buscades i perseguides que els semiconductors presenten.
Per entendre-ho d’una altra manera, les impureses poden millorar les qualitats d’un semiconductor intrínsec, però si són excessives, si es passen d’una certa concentració, el material actua com un conductor, i abandona l’estat de semiconductor que es busca.
4.4 Junció p-n
Un producte on ambdós tipus de semiconductors extrínsecs es manifesten és en la junció p-n, un sol cristall semiconductor amb ambdós tipus. D’aquesta unió en resulten propietats que, encara que havien estat descrites per sobre durant l’anàlisi històric, han de ser detallades.
La junció p-n fa que el cristall únicament pugui permetre el pas del corrent en una direcció, de semiconductor tipus p a tipus n, de positiu a negatiu.
A nivell atòmic, però, el que hi succeeix és interessant i ha d’ésser analitzat.
En primer lloc, els forats més pròxims a la junció del semiconductor tipus p pateixen una força de difusió que els obliga, en certa manera, a creuar la barrera i ocupar la part pròxima a aquesta a l’altra banda.
Per l’altre costat, els electrons lliures del semiconductor tipus n pateixen una força contrària, amb el mateix efecte al cap i a la fi. Cal tenir en compte, que encara que tracten els forats com a partícules de càrrega positiva, aquest només és una conveniència que emprem per a simplificar els anàlisis i fer-los més entenedors. Si, per contra, es volgués intentar explicar aquest problema sense els forats, perfectament es podria dur a terme, tractant enlloc de forats, com a absència d’electrons en les capes de valència o baixa densitat electrònica.
D’aquesta manera s’acaba deixant el gruix d’ambdues parts neutre, ja que les càrregues, tan positives com negatives, es troben al centre.
A continuació, aquest procés acaba assolint un equilibri gràcies al mateix camp elèctric creat per la distribució d’electrons (i forats). Com a conseqüència, s’acaba creant a la junció p-n una barrera de potencial, causant dels efectes rectificadors de corrent del material quan a aquest se li aplica voltatge.
Aquesta propietat de la junció p-n ràpidament va ser aplicada i es van crear els díodes de junció p-n, així com van ser utilitzats com a rectificadors en tot tipus de transistors, LED’s, cèl·lules fotoelèctriques, i molts altres.
bottom of page