que es un semiconductor

Junto con los conductores de electricidad, existen muchas sustancias en la naturaleza que tienen una conductividad eléctrica significativamente más baja que los conductores metálicos. Las sustancias de este tipo se denominan semiconductores.

Los semiconductores incluyen: ciertos elementos químicos como el selenio, el silicio y el germanio, los compuestos de azufre como el sulfuro de talio, el sulfuro de cadmio, el sulfuro de plata, los carburos como el carborundum, el carbono (diamante), el boro, el estaño, el fósforo, el antimonio, el arsénico, el telurio y el yodo. , y un número de compuestos que incluyen al menos uno de los elementos del grupo 4 — 7 del sistema de Mendeleev. También hay semiconductores orgánicos.

La naturaleza de la conductividad eléctrica del semiconductor depende del tipo de impurezas presentes en el material base del semiconductor y de la tecnología de fabricación de sus partes constituyentes.

Semiconductor — sustancia con conductividad eléctrica 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 ubicado por estas propiedades entre el conductor y el aislador.La diferencia entre conductores, semiconductores y aisladores según la teoría de bandas es la siguiente: en los semiconductores puros y los aisladores electrónicos existe una banda de energía prohibida entre la banda llena (valencia) y la banda de conducción.

¿Por qué los semiconductores conducen la corriente?

Un semiconductor tiene conductividad electrónica si los electrones externos en sus átomos de impureza están relativamente débilmente unidos a los núcleos de esos átomos. Si se crea un campo eléctrico en este tipo de semiconductor, entonces, bajo la influencia de las fuerzas de este campo, los electrones externos de los átomos de impureza del semiconductor abandonarán los límites de sus átomos y se convertirán en electrones libres.

Los electrones libres crearán una corriente de conducción eléctrica en el semiconductor bajo la influencia de las fuerzas del campo eléctrico. Por lo tanto, la naturaleza de la corriente eléctrica en los semiconductores eléctricamente conductores es la misma que en los conductores metálicos. Pero como hay muchas veces menos electrones libres por unidad de volumen de un semiconductor que por unidad de volumen de un conductor metálico, es natural que, siendo todas las demás condiciones iguales, la corriente en un semiconductor será muchas veces menor que en un conductor metálico. conductor.

Un semiconductor tiene conductividad de "agujero" si los átomos de su impureza no solo no ceden sus electrones exteriores, sino que, por el contrario, tienden a capturar los electrones de los átomos de la sustancia principal del semiconductor. Si un átomo de impureza le quita un electrón a un átomo de la sustancia principal, entonces en este último se forma una especie de espacio libre para un electrón: un "agujero".

Un átomo semiconductor que ha perdido un electrón se denomina "agujero de electrones" o simplemente "agujero".Si el "agujero" se llena con un electrón transferido de un átomo vecino, entonces se elimina y el átomo se vuelve eléctricamente neutro, y el "agujero" se mueve hacia el átomo vecino que ha perdido un electrón. Por lo tanto, si se aplica un campo eléctrico a un semiconductor con conducción de «huecos», los «huecos de electrones» se moverán en la dirección de este campo.

La polarización de los «huecos de electrones» en la dirección de acción de un campo eléctrico es similar al movimiento de cargas eléctricas positivas en un campo y es por tanto un fenómeno de corriente eléctrica en un semiconductor.

Los semiconductores no se pueden diferenciar estrictamente según el mecanismo de su conductividad eléctrica, ya que junto con la conductividad de "agujero", este semiconductor puede tener conductividad electrónica en un grado u otro.

Los semiconductores se caracterizan por:

• tipo de conductividad (electrónica - tipo n, agujero -p -tipo);

• resistencia;

• vida útil del portador de carga (minoritario) o longitud de difusión, tasa de recombinación superficial;

• densidad de dislocación.

Ver también: Características de corriente-voltaje de los semiconductores El silicio es el material semiconductor más común.

La temperatura tiene seres que afectan las características de los semiconductores. Su aumento conduce principalmente a una disminución de la resistencia y viceversa, es decir. Los semiconductores se caracterizan por la presencia de negativos. coeficiente de temperatura de resistencia… Cerca del cero absoluto, el semiconductor se convierte en un aislante.

Muchos dispositivos se basan en semiconductores. En la mayoría de los casos, deben obtenerse en forma de monocristales.Para dar las propiedades deseadas, los semiconductores se dopan con varias impurezas. Se imponen mayores requisitos sobre la pureza de los materiales semiconductores de partida.

Dispositivos semiconductores

Tratamiento térmico de semiconductores

Tratamiento térmico de un semiconductor: calentamiento y enfriamiento de un semiconductor de acuerdo con un programa dado para cambiar sus propiedades electrofísicas.

Cambios: modificación de cristales, densidad de dislocaciones, concentración de vacantes o defectos estructurales, tipo de conductividad, concentración, movilidad y vida útil de los portadores de carga. Los cuatro últimos, además, pueden estar relacionados con la interacción de impurezas y defectos estructurales o con la difusión de impurezas en el grueso de los cristales.

El calentamiento de las muestras de germanio a una temperatura >550 °C seguido de un enfriamiento rápido da como resultado la aparición de aceptores térmicos en concentraciones a mayor temperatura. El recocido posterior a la misma temperatura restaura la resistencia inicial.

El mecanismo probable de este fenómeno es la disolución del cobre en la red de germanio que difunde desde la superficie o se depositó previamente en dislocaciones. El recocido lento hace que el cobre se deposite sobre los defectos estructurales y salga de la red. También es posible la aparición de nuevos defectos estructurales durante el enfriamiento rápido. Ambos mecanismos pueden reducir la vida útil, lo que se ha establecido experimentalmente.

En el silicio a temperaturas de 350 — 500 °, la formación de donadores térmicos ocurre en concentraciones más altas, más oxígeno se disuelve en el silicio durante el crecimiento del cristal. A temperaturas más altas, los donantes de calor se destruyen.

El calentamiento a temperaturas en el rango de 700 — 1300 ° reduce drásticamente la vida útil de los portadores de carga minoritarios (a > 1000 ° el papel decisivo lo juega la difusión de impurezas desde la superficie). Calentar el silicio a 1000-1300 ° afecta la absorción óptica y la dispersión de la luz.

Aplicación de semiconductores

En las tecnologías modernas, los semiconductores han encontrado la aplicación más amplia; han tenido un impacto muy fuerte en el progreso tecnológico. Gracias a ellos, es posible reducir significativamente el peso y las dimensiones de los dispositivos electrónicos. El desarrollo de todas las áreas de la electrónica conduce a la creación y mejora de una gran cantidad de equipos diversos basados ​​en dispositivos semiconductores. Los dispositivos semiconductores sirven como base para microceldas, micromódulos, circuitos duros, etc.

Los dispositivos electrónicos basados ​​en dispositivos semiconductores son prácticamente inerciales. Un dispositivo semiconductor cuidadosamente construido y bien sellado puede durar decenas de miles de horas. Sin embargo, algunos materiales semiconductores tienen un límite de temperatura pequeño (por ejemplo, germanio), pero la compensación de temperatura no muy difícil o el reemplazo del material base del dispositivo por otro (por ejemplo, silicio, carburo de silicio) elimina en gran medida este inconveniente. de la tecnología de fabricación de dispositivos semiconductores da como resultado una reducción de la dispersión e inestabilidad de los parámetros aún existentes.

Semiconductores en electrónica

El contacto semiconductor-metal y la unión electrón-hueco (unión n-p) creados en los semiconductores se utilizan en la fabricación de diodos semiconductores.Uniones dobles (p-n-p o n-R-n): transistores y tiristores. Estos dispositivos se utilizan principalmente para rectificar, generar y amplificar señales eléctricas.

Las propiedades fotoeléctricas de los semiconductores se utilizan para crear fotorresistores, fotodiodos y fototransistores. El semiconductor sirve como parte activa de los osciladores (amplificadores) de oscilaciones láseres semiconductores… Cuando una corriente eléctrica pasa a través de la unión pn en dirección directa, los portadores de carga (electrones y huecos) se recombinan con la emisión de fotones, que se utilizan para crear LED.

LED

Las propiedades termoeléctricas de los semiconductores permitieron crear resistencias termoeléctricas de semiconductores, termopares de semiconductores, termopares y generadores termoeléctricos y refrigeración termoeléctrica de semiconductores basada en el efecto Peltier, — refrigeradores termoeléctricos y termoestabilizadores.

Los semiconductores se utilizan en convertidores mecánicos de calor y energía solar en generadores eléctricos - termoeléctricos y convertidores fotoeléctricos (células solares).

La tensión mecánica aplicada a un semiconductor cambia su resistencia eléctrica (el efecto es más fuerte que para los metales), que es la base de la galga extensiométrica de semiconductores.

Los dispositivos semiconductores se han generalizado en la práctica mundial, revolucionando la electrónica, sirven como base para el desarrollo y producción de:

• equipos de medición, computadoras,

• equipos para todo tipo de comunicaciones y transportes,

• para la automatización de procesos industriales,

• dispositivos de investigacion,

• cohete,

• Equipo medico

• otros dispositivos y dispositivos electrónicos.

El uso de dispositivos semiconductores le permite crear nuevos equipos y mejorar los antiguos, lo que significa que reduce su tamaño, peso, consumo de energía y, por lo tanto, reduce la generación de calor en el circuito, aumenta la fuerza, disponibilidad inmediata para la acción, da le permite aumentar la vida útil y la fiabilidad de los dispositivos electrónicos.